Transportvorgänge in der Verfahrenstechnik: Grundlagen und apparative Umsetzungen

Description

Transportvorgänge spielen eine überragende Rolle in verfahrenstechnischen Prozessen, die in unterschiedlichen Industriezweigen – speziell in der chemischen, pharmazeutischen und der Lebensmittelindustrie sowie in der Biotechnologie – die Basis der Produktherstellung bilden. Das fundamentale Verständnis von Transportvorgängen ist eine unverzichtbare Voraussetzung für diejenigen, die diese in technischen Prozessen umsetzen. Dazu zählen vorrangig Ingenieure unterschiedlicher Fachdisziplinen, technische Chemiker und Biotechnologen. In der Neuauflage enthält das Buch neben der umfassenden Darstellung der grundlegenden Gesetzmäßigkeiten deren methodische Anwendung in vielfältigen technischen Prozessen. Die praktische Umsetzung kann anhand von 200 Übungsaufgaben im Selbststudium oder mit einem separaten Lösungsbuch vertieft werden. Studierende und Praktiker sollen mithilfe dieses wahlweise Nachschlagewerks oder Lehrbuchs in die Lage versetzt werden, eigene spezifische Aufgaben zu analysieren und zu bewältigen. Vorwort der 3. Auflage Vorwort zur 1. Auflage Inhaltsverzeichnis Symbolverzeichnis Teil I Grundlagen und Methoden 1 Grundlagen der Transportprozesse 1.1 Molekulare Transportvorgänge 1.1.1 Molekularer Impulstransport (innere Reibung von Fluiden) 1.1.2 Molekularer Energietransport (Wärmeleitung) 1.1.3 Molekularer Stofftransport (Diffusion) 1.2 Molekulare Transport- und Ausgleichskoeffizienten 1.2.1 Viskosität 1.2.2 Wärmeleitfähigkeit 1.2.3 Diffusionskoeffizienten 1.3 Konvektive Transportvorgänge 1.3.1 Konvektiver Impulstransport 1.3.2 Konvektiver Energietransport 1.3.3 Konvektiver Stofftransport 1.4 Turbulente Transportvorgänge 1.5 Bilanzgleichungen 1.5.1 Differenzielle Bilanzgleichungen 1.5.2 Integrale Bilanzgleichungen 1.5.3 Anfangs- und Randbedingungen 1.6 Umwandlungsvorgänge 1.6.1 Stoffumwandlung 1.6.2 Energieumwandlung 1.6.3 Impulsänderung 1.7 Konvektiver Wärme- und Stoffübergang 1.8 Phasengleichgewichte 1.8.1 Gas/Flüssigkeits-Gleichgewichte 1.8.2 Flüssig/flüssig-Gleichgewichte 1.8.3 Fest/flüssig-Gleichgewichte 1.8.4 Sorptionsgleichgewichte 1.8.5 Randbedingungen für Stofftransportvorgänge 1.9 Verständnisfragen 1.10 Aufgaben Literatur 2 Energie- und Stofftransport in ruhenden Medien 2.1 Stationäre Diffusion 2.1.1 Äquimolare Diffusion in einer ebenen Schicht 2.1.2 Einseitige Diffusion 2.1.3 Diffusion mit homogener chemischer Reaktion 2.1.4 Diffusion mit heterogener chemischer Reaktion 2.2 Instationäre Diffusion 2.2.1 Instationäre Diffusion in einer Platte 2.2.2 Instationäre Diffusion in einer Kugel 2.3 Verständnisfragen 2.4 Aufgaben Literatur 3 Wärme- und Stoffübergangstheorien 3.1 Wärmedurchgang 3.2 Stoffdurchgang 3.3 Stoffübergangstheorien 3.3.1 Filmtheorie 3.3.2 Grenzschichttheorie 3.3.3 Penetrations- und Oberflächenerneuerungstheorie 3.3.4 Anwendungsbereiche für die verschiedenen Wärme- und Stofftransporttheorien 3.4 Stoffaustausch mit homogener chemischer Reaktion 3.4.1 Filmtheorie 3.4.2 Penetrationstheorie 3.4.3 Generelle Auswirkungen einer homogenen Reaktion 1. Ordnung auf den Stofftransport 3.5 Verständnisfragen 3.6 Aufgaben Literatur 4 Mischungszustände 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 in absatzweise betriebenen Apparaten 4.2.2 Dispersionsmodell für kontinuierlich betriebene Apparate 4.3 Verweilzeitverteilung 4.3.1 Experimentelle Bestimmung einer Verweilzeitverteilung 4.3.2 Verweilzeitverteilung idealer Apparate 4.3.3 Modellierung des Verweilzeitverhaltens realer Apparate 4.4 Verständnisfragen 4.5 Aufgaben Literatur 5 Strömungen in Rohrleitungen 5.1 Impulstransport 5.1.1 Laminare Rohrströmung 5.1.2 Turbulente Rohrströmung 5.1.3 Strömungswiderstand in Rohren 5.1.4 Strömungen nicht-Newtonscher Flüssigkeiten 5.1.5 Strömungen durch Rohrleitungssysteme 5.2 Konvektiver Wärme- und Stoffübergang 5.2.1 Laminare Rohrströmung 5.2.2 Turbulente Rohrströmung 5.2.3 Konvektiver Wärmeübergang 5.3 Stoffübergang mit heterogener chemischer Reaktion 5.4 Dispersion in Rohrströmungen 5.5 Verständnisfragen 5.6 Aufgaben Literatur 6 Strömungen an ebenen Platten 6.1 Impulstransport 6.1.1 Laminare Grenzschicht 6.1.2 Turbulente Grenzschicht 6.1.3 Reibungsbeiwert 6.2 Konvektiver Wärme- und 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 7 Disperse Systeme 7.1 Stationäre Partikelbewegung 7.1.1 Bewegungsgleichung kugelförmiger Partikel 7.1.2 Feste Einzelpartikel 7.1.3 Fluide Einzelpartikel 7.2 Instationäre Partikelbewegung 7.3 Bewegung von Partikelschwärmen 7.3.1 Feste Partikel 7.3.2 Fluide Partikel 7.4 Stationärer konvektiver Wärme- und Stoffübergang 7.4.1 Feste Einzelpartikel 7.4.2 Fluide Einzelpartikel 7.5 Instationärer konvektiver Wärme- und Stofftransport 7.5.1 Mathematische Grundlagen zur Bestimmung des Stofftransports 7.5.2 Innenproblem 7.5.3 Außenproblem 7.6 Verständnisfragen 7.7 Aufgaben Literatur 8 Einphasig durchströmte Feststoffschüttungen 8.1 Kennzeichnende Größen einer Feststoffschüttung 8.1.1 Partikelabmessungen 8.1.2 Lückengrad 8.1.3 Hydraulischer Durchmesser 8.1.4 Geschwindigkeitsverteilung innerhalb einer Feststoffschüttung 8.2 Druckverlust 8.3 Konvektiver 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 8.4.1 Berechnung des Konzentrationsverlaufs 8.4.2 Dispersionskoeffizienten in Feststoffschüttungen 8.5 Verständnisfragen 8.6 Aufgaben Literatur 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 der Trenngüte 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 9.5.5 Umkehrosmose 9.5.6 Apparative Umsetzung der Membranfiltration 9.6 Verständnisfragen 9.7 Aufgaben Literatur 10 Thermische Trocknung fester Stoffe 10.1 Grundbegriffe der thermischen Trocknung 10.2 Eigenschaften feuchter Güter 10.2.1 Arten der Feuchtigkeitsbindung 10.2.2 Sorptionsisothermen 10.2.3 Bewegung der Feuchtigkeit im Gut 10.3 Eigenschaften des feuchten Gases 10.4 Wärme- und Stoffübergang bei der Konvektionstrocknung 10.4.1 Wärmeübertragung an das feuchte Gut 10.4.2 Beharrungstemperatur 10.4.3 Kühlgrenztemperatur 10.5 Wärmeübergang bei der Kontakttrocknung 10.6 Berechnungsgrundlagen für Konvektionstrockner 10.6.1 Trockengas- und Energiebedarf bei der Konvektionstrocknung 10.6.2 Gasführung in Konvektionstrocknern 10.7 Kinetik der Trocknung, Trocknungsverlauf 10.7.1 I. Trocknungsabschnitt 10.7.2 II. Trocknungsabschnitt 10.8 Bauarten von Trocknern 10.8.1 Konvektionstrockner 10.8.2 Kontakttrockner 10.8.3 Strahlungstrockner 10.8.4 Bedeutung der Energiekosten für die Trocknerauswahl 10.9 Verständnisfragen 10.10 Aufgaben Literatur 11 Rieselfilmapparate 11.1 Fluiddynamik von Rieselfilmen 11.2 Wärmeübertragung zwischen Wand und Flüssigkeit 11.3 Stoffübertragung zwischen Rieselfilm und Gas 11.3.1 Laminarer Rieselfilm 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 12 Bodenkolonnen 12.1 Thermodynamische Grundlagen und Stoffbilanzen 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 über einen Boden 12.6 Phasengrenzfläche in der Zweiphasenschicht 12.7 Stoffübergang in der Zweiphasenschicht 12.8 Verständnisfragen 12.9 Aufgaben Literatur 13 Füllkörper- und 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 14 Strömungsmaschinen 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 14.5 Betriebspunkte von Kreiselpumpen 14.5.1 Anlagenkennlinie 14.5.2 Regelung von Strömungsmaschinen 14.5.3 Verschaltungen mehrerer Kreiselpumpen 14.6 Kavitation und Haltedruckhöhe 14.6.1 Kavitation 14.6.2 Haltedruckhöhe und NPSH-Wert 14.7 Ähnlichkeitsgesetze und dimensionslose Kennzahlen 14.7.1 Ähnlichkeitsbeziehungen 14.7.2 Dimensionslose Kennzahlen 14.8 Verständnisfragen 14.9 Aufgaben Literatur 15 Wirbelschichtapparate 15.1 Erscheinungsformen von Wirbelschichten 15.2 Fluiddynamische Grundlagen 15.2.1 Druckverlustcharakteristik 15.2.2 Lockerungsgeschwindigkeit 15.2.3 Expansionsverhalten homogener Wirbelschichten 15.2.4 Feststoffverhalten bei der Fluidisierung mit einem Gasstrom 15.2.5 Betriebszustände in Wirbelschichten 15.3 Eigenschaften von Gasblasen 15.4 Feststoffmischung 15.5 Gasphasenvermischung 15.6 Wärme- und 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 16 Feststofftransport in Rohrleitungen 16.1 Physikalische Grundlagen des Feststofftransports 16.2 Pneumatische Förderung 16.2.1 Einteilung der pneumatischen Förderung 16.2.2 Berechnungen von Leitungen für die pneumatische Förderung 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 17 Gas/Flüssigkeits-Strömungen in Rohrleitungen 17.1 Strömungs- und Phasenverteilungszustände 17.1.1 Strömungsformen in vertikalen Rohren 17.1.2 Strömungsformen 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 17.3.4 Gasgehalt 17.4 Berechnung des Druckverlusts von Gas/Flüssigkeits-Strömungen 17.4.1 Homogenes Modell 17.4.2 Heterogenes Modell (Schlupfmodell) 17.4.3 Weitere Berechnungsansätze 17.5 Verständnisfragen 17.6 Aufgaben Literatur 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 Dispergierung von Gasen 18.2.9 Dispergieren von Flüssig/flüssig-Systemen 18.2.10 Maßstabsübertragung 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 19 Blasensäulen 19.1 Blasensäulen mit und ohne Einbauten 19.1.1 Einteilung und Charakteristika 19.1.2 Bauarten 19.1.3 Fluiddynamik 19.1.4 Blasengröße und -bewegung 19.1.5 Dispersion 19.1.6 Gasgehalt 19.1.7 Stofftransport 19.1.8 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 Modellierung von Blasensäulenreaktoren 19.5.1 Axiales Dispersionsmodell 19.5.2 Vergleich gemessener und berechneter Konzentrationsverläufe 19.6 Maßstabsübertragung 19.7 Anwendungsbereiche 19.8 Verständnisfragen 19.9 Aufgaben Literatur Stichwortverzeichnis