Thermische Trennverfahren ebook

Inhaltsverzeichnis

Cover

Titelseite

Impressum

Widmung

Vorwort zur 1. Auflage

Vorwort zur 2. Auflage

Die Autoren

1 Grundlagen

Aufgabe 1.1 Dichten und Konzentrationsangaben für Gemische

Aufgabe 1.2 Stoffbilanzen

Aufgabe 1.3 Energiebilanz

Aufgabe 1.4 Phasengleichgewicht Flüssigphase-Flüssigphase, Nernst’scher Verteilungssatz

Aufgabe 1.5 Phasengleichgewicht Dampfphase-Flüssigphase für Einkomponentensysteme, Clausius-Clapeyron-Gleichung

Aufgabe 1.6 Phasengleichgewicht Dampfphase-Flüssigphase für Mehrkomponentensysteme, Raoult’sches Gesetz

Aufgabe 1.7 Phasengleichgewicht Dampfphase-Flüssigphase für Mehrkomponentensysteme, verallgemeinertes Raoult’sches Gesetz

Aufgabe 1.8 Phasengleichgewicht Gasphase-Flüssigphase, Gaslöslichkeit, Henry’sches Gesetz

Aufgabe 1.9 Phasengleichgewicht Gasphase-Festphase, Adsorptionsisothermen, Langmuir-Ansatz

Aufgabe 1.10 Konzentrierung, Dampfdruckerniedrigung, Siedepunktserhöhung und Gefrierpunktserniedrigung von Lösungen

Aufgabe 1.11 Lösungsenthalpie, Kristallisationsenthalpie

Aufgabe 1.12 Konsistenzprüfung, Trennfaktor (relative Flüchtigkeit)

Aufgabe 1.13 Mindesttrennarbeit

Aufgabe 1.14 Phasengleichgewicht Dampfphase-Flüssigphase für Einkomponentensysteme, kubische Zustandsgleichungen

Aufgabe 1.15 Phasengleichgewicht Dampfphase-Flüssigphase für Zweikomponentensysteme, kubische Zustandsgleichungen

2 Destillation, Rektifikation

Aufgabe 2.1 Diskontinuierliche, einstufige Destillation

Aufgabe 2.2 Kontinuierlich betriebene, einstufige, offene Destillation

Aufgabe 2.3 Wasserdampfdestillation

Aufgabe 2.4 Einstufige kontinuierliche geschlossene Destillation

Aufgabe 2.5 Partialkondensation aus Gemischen mit Inertgas

Aufgabe 2.6 Rektifikation eines Zweistoffgemischs, Kolonnenbilanzierung

Aufgabe 2.7 Rektifikation eines Zweistoffgemischs, Mindestrücklaufverhältnis und Kolonnenstufenzahl

Aufgabe 2.8 Bestimmung des Kolonnendurchmessers einer Rektifikations- bzw. Absorptionsbodenkolonne

Aufgabe 2.9 Bestimmung des Kolonnendurchmessers einer Rektifikations- bzw. Absorptionskolonne – Füllkörper- oder Packungskolonnen

3 Absorption

Aufgabe 3.1 Simultane Absorption von verschiedenen Gasen durch ein Lösungsmittel

Aufgabe 3.2 Chemisorption

Aufgabe 3.3 Diffusionskoeffizienten für die Diffusion in der Gasphase

Aufgabe 3.4 Diffusionskoeffizienten für die Diffusion in der Flüssigphase

Aufgabe 3.5 Bilanzierung eines Gegenstromabsorbers, Mengen- und Energiebilanz

Aufgabe 3.6 Absorberdurchmesser einer Füllkörperkolonne

Aufgabe 3.7 Absorberbodenzahl

Aufgabe 3.8 Stoffdurchgangskoeffizient und HTU-Wert

Aufgabe 3.9 Füllkörperschütthöhe eines Gegenstromabsorbers, HTU-NTU-Konzept

Aufgabe 3.10 Gasseitiger Punktwirkungsgrad, Bodenwirkungsgrad nach Murphree und Kolonnenwirkungsgrad

4 Adsorption

Aufgabe 4.1 Adsorbensbedarf, Enthalpiebilanz

Aufgabe 4.2 Adsorberdurchmesser, Adsorberschütthöhe

5 Thermische Trocknung

Aufgabe 5.1

h

,

X

-Diagramm nach Mollier, Taupunkt, Wärmebedarf beim Aufheizen eines feuchten Luftstroms

Aufgabe 5.2

h

,

X

-Diagramm nach Mollier, Mischung von Feuchtluftströmen

Aufgabe 5.3

h

,

X

-Diagramm nach Mollier, Zumischen von reiner Feuchte zu Feuchtluft

Aufgabe 5.4

h

,

X

-Diagramm nach Mollier, Änderung des Bezugszustandes

Aufgabe 5.5 Feuchtemessung, Aßmann’sches Aspirationspsychrometer

Aufgabe 5.6 Einstufige Konvektionstrocknung

Aufgabe 5.7 Umlufttrocknung

Aufgabe 5.8 Stufentrocknung

Aufgabe 5.9 Trocknungszeit (Trocknungsdauer)

Aufgabe 5.10 Überschlägige Auslegung eines Trommeltrockners

6 Extraktion

Aufgabe 6.1 Mehrstufige Extraktion im Kreuzstrom

Aufgabe 6.2 Mehrstufige Extraktion im Gegenstrom

Aufgabe 6.3 Extraktorauslegung, Füllkörperkolonne

Aufgabe 6.4 Extraktorauslegung,

Rotating Disc Contactor

RDC

7 Lösungskonzentrierung, Kristallisation

Aufgabe 7.1 Lösungskonzentrierung durch Entspannungsverdampfung

Aufgabe 7.2 Kristallisatertrag, Energiebilanz

Aufgabe 7.3 Kristallisatorauslegung, klassierender Kristallisator

Anhang A: Verzeichnis der Excel-Rechenblätter und Software

Anhang B: Häufig verwendete Formelzeichen und zugehörige übliche Einheiten

Stichwortverzeichnis

End User License Agreement

Guide

Cover

Table of Contents

Begin Reading

Pages

C1

III

IV

V

VII

XI

XII

XIII

XV

XVI

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

87

88

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

142

143

144

145

146

147

148

149

150

151

152

153

154

155

156

157

158

159

160

161

162

163

164

165

166

167

168

169

170

171

172

173

174

175

176

177

178

179

180

181

182

183

184

185

186

187

188

189

190

191

192

193

194

195

196

197

198

199

200

201

202

203

204

205

206

207

208

209

210

211

212

213

214

215

216

217

218

219

220

221

222

223

224

225

226

227

228

229

230

231

232

233

234

235

236

237

238

239

240

241

242

243

244

245

246

247

248

249

250

251

252

253

254

255

256

257

258

259

260

261

262

263

264

265

266

267

268

269

270

271

272

273

274

275

276

277

278

279

280

281

282

283

284

285

286

287

288

289

290

291

292

293

294

295

296

297

298

299

300

301

302

303

304

305

306

307

308

309

310

311

312

313

314

315

316

317

318

319

320

321

322

323

324

325

326

327

328

329

330

331

332

333

334

335

336

337

338

339

340

341

342

343

344

345

346

347

348

349

350

351

352

353

354

355

356

357

358

359

360

361

362

363

364

365

366

367

368

369

370

371

372

373

374

375

376

377

378

379

380

381

382

383

384

385

386

387

388

389

390

391

392

393

395

396

397

398

399

401

402

403

404

405

406

407

409

410

411

412

413

Thermische Trennverfahren

Aufgaben und Auslegungsbeispiele

2. Auflage

Autoren

Klaus Sattler

Geierstr. 7

68782 Brühl

Till Adrian

Hochschule Mannheim

Institut für Thermische Verfahrenstechnik

Paul-Wittsack-Str. 10

68163 Mannheim

Alle Bücher von Wiley-VCH werden sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag in keinem Fall, einschließlich des vorliegenden Werkes, für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler irgendeine Haftung.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

© 2016 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Boschstr. 12, 69469 Weinheim, Germany

Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind.

Print ISBN 978-3-527-33896-2

ePDF ISBN 978-3-527-69183-8

ePub ISBN 978-3-527-69179-1

Mobi ISBN 978-3-527-69180-7

Für Max und Lulu, die sich fragen, was ich den ganzen Tag mache.

Vorwort zur 1. Auflage

Mit dem vorliegenden Aufgabenbuch ist nun die seit längerer Zeit angekündigte, vollständig überarbeitet und umfangreich erweiterte Sammlung von komplett durchgerechneten Aufgaben zum Themenkomplex Thermische Trennverfahren verfügbar. Aufbauend auf dem seit einigen Jahren vergriffenen Buch „Thermische Trennverfahren, Aufgaben und Lösungen, Auslegungsbeispiel, Vogel-Verlag, Würzburg 1979“ von K. Sattler, orientiert sich das vorliegende Werk sowohl in fachlicher Gliederung als auch in Benennung von Variablen streng an dem seit langem etablierten Fachbuch „Thermische Trennverfahren“ von Klaus Sattler aus dem Verlag Wiley-VCH und stellt damit die ideale Ergänzung zum vertiefenden Studium der Materie dar. Die Bearbeitung der Aufgaben geschieht zweistufig. Zunächst wird der Lösungsweg anhand der relevanten mathematischen Gleichungen skizziert. Dabei werden stets Bezüge zum genannten Fachbuch hergestellt. Wo nötig, werden Formeln nochmals hergeleitet, um die Konsequenzen von vereinfachenden Annahmen zu demonstrieren. Dennoch ist der theoretische Teil sehr knapp gehalten. Im zweiten Schritt werden die Zahlenrechnungen durchgeführt, vereinfachende Annahmen stufenweise eliminiert und die Ergebnisse diskutiert.

Mit den insgesamt 50 umfangreichen Aufgaben und Auslegungsbeispielen hilft das Buch, praxisrelevante Vorgehensweisen im industriellen Umfeld zu verstehen. Die Schritt für Schritt abgehandelten Beispiele reichen von der Aufgabenstellung am Beginn eines Projektes über die thermodynamische Auslegung bis hin zur fluiddynamischen Dimensionierung der Apparate. Zur Lösung der Aufgaben kommen neben den didaktisch wertvollen „Papier- und Bleistiftmethoden“ auch moderne Prozesssimulations-Werkzeuge und praxisgängige Programme zur Apparatedimensionierung zum Einsatz. Der Leser gewinnt so ein Gefühl, an welchen Stellen überschlägige Rechnungen sinnvolle sind und bei welchen Problemen eine rigorosere Betrachtung nötig ist.

Die Zahlenrechnungen können für die überwiegende Zahl der Aufgaben auch anhand der mitgelieferten MS-EXCEL-Arbeitsblättern nachvollzogen werden, die sich auf der beiliegenden CD-ROM befinden. Ohne zusätzlichen Aufwand können damit Parameterstudien durchgeführt werden, in dem z. B. der Zahlenwert für einen Lösungsmittelstrom bei einer Extraktion oder für das Rücklaufverhältnis bei einer Rektifikation verändert wird und man direkt die Auswirkungen auf die Ergebnisse für die benötigte Anzahl theoretische Stufen oder die Produktreinheit angezeigt bekommt. Meist sind die Auswirkungen auch unmittelbar in einer graphischen Darstellung in Form eines MS-EXCEL-Diagramms sichtbar. Insbesondere für die wirtschaftliche Optimierung sind solche Parameterstudien heutzutage unumgänglich, da sie den Zusammenhang zwischen energetischem und apparativem Aufwand darstellen und so das gesamtwirtschaftliche Optimum finden lassen.

Die MS-EXCEL-Arbeitsblättern sind universell einsetzbar und nicht auf die Bearbeitung der Übungsaufgaben beschränkt. So erlaubt beispielsweise das interaktive McCabe-Thiele-Diagramm die Darstellung einer Rektifikation für binäre Gemische mit beliebigen Trennfaktoren und bei beliebigem Rücklaufverhältnis. Weitere Beispiele sind Werkzeuge zur wechselseitige Umrechnung von Konzentration von Gemischen in 7 alternative Konzentrationsmaße, die Anpassung von NRTL-Wechselwirkungsparametern an experimentelle Daten für das Dampf-Flüssig-Phasengleichgewicht oder ein interaktives und beliebig skalierbares h, X-Diagramm nach Mollier zur Darstellung von Trocknungsvorgängen mit frei wählbarem Lösungsmittel. Können Gleichungssätze nicht analytisch gelöst werden, so wird das in MS-EXCEL integrierte numerische Werkzeuge SOLVER verwendet, um die Lösung auf einfache Weise iterativ zu ermitteln.

Im Textteil werden die Zahlenwerte mit deutlich mehr Nachkommastellen angegeben, als es die Genauigkeit der Stoffwerte und die Verwendung vereinfachender Annahmen rechtfertigen. Grund hierfür ist die Vergleichbarkeit mit den Ergebnissen der Berechnungen in den mitgelieferten MS-EXCEL-Blättern, bei denen keine erkennbaren Rundungsfehler auftreten.

Nicht zuletzt gilt es zahlreichen Personen zu danken, die das Gelingen des vorliegenden Buches unterstützt haben. Dies sind zum einen die Mitarbeiter von Lektorat und Herstellung der WILEY-VCH Verlags GmbH, namentlich Frau Karin Sora und den Herren Rainer Münz und Hans-Jochen Schmitt. Großer Dank gebührt Herrn Fritz Adrian für die sorgfältige Durchsicht des Manuskripts. Danken möchten wir auch jenen Firmen, die Bild und Informationsmaterial beigesteuert haben, insbesondere der Firma RASCHIG GmbH und hier Herrn Prof. Dr.-Ing. Michael Schultes, der es ermöglichte, das Programmpaket WINSORP zur Auslegung von Füllkörper- und Packungskolonnen auf der beiliegenden CD-ROM zur Verfügung zu stellen.

Vorwort zur 2. Auflage

Nachdem die erste Auflage der „Thermischen Trennverfahren – Aufgaben und Auslegungsbeispiele“ in der Praxis und im Hochschulbetrieb sehr gut aufgenommen wurde und mittlerweile vergriffen ist, liegt jetzt eine überarbeitete, aktualisierte und erweiterte Neuauflage vor.

Das Grundlagenkapitel, in dem insbesondere die Berechnung und Korrelation von Phasengleichgewichten behandelt wird, ist um zwei Aufgaben ergänzt worden. Dabei wird die Berechnung von Dampf-Flüssigkeits-Phasengleichgewichten von Reinstoffen und binären Mischungen mit Hilfe von kubischen Zustandsgleichungen gezeigt. Der dabei zu bewältigende numerische Aufwand ist im Vergleich zu den anderen Aufgaben relativ groß. Zur Lösung stehen, wie in der ersten Auflage erfolgreich praktiziert, wiederum leicht zu bedienende MS-EXCEL-Arbeitsblätter zur Verfügung. Die Arbeitsblätter sind nicht auf die Berechnung der in den Aufgaben vorgegebenen Stoffsysteme beschränkt, sondern können unter Vorgabe der entsprechenden Reinstoffparameter universell für beliebige Stoffsysteme eingesetzt werden. Anders als bei der ersten Auflage liegt keine CD-ROM mehr bei.

Die Arbeitsblätter lassen sich jetzt über den button "Zusatzmaterial" unter Verwendung des folgenden links herunterladen:

www.wiley-vch.de/publish/dt/books/ISBN978-3-527-33896-2/

Die aktuellste Programmversion der in einigen Aufgaben verwendeten Software WINSORP ist auf Anfrage kostenfrei bei der Firma RASCHIG GmbH, Ludwigshafen erhältlich. Nicht zuletzt gilt es zahlreichen Personen zu danken, die das Gelingen des vorliegenden Buches unterstützt haben. Dies sind vor allem die Mitarbeiter von Lektorat und Herstellung der WILEY-VCH Verlags GmbH, namentlich Frau Stefanie Volk, Hr. Ulf Scheffler und Frau Elke Maase. Danken möchten wir auch jenen Firmen, die Bild und Informationsmaterial beigesteuert haben.

Mannheim, im Dezember 2015

Klaus Sattler, Till Adrian

Die Autoren

Klaus Sattler studierte von 1958 bis 1963 Verfahrenstechnik in Karlsruhe. Er befasste sich anschließend als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl von Prof. Kirschbaum mit Problemen des Wärme- und Stoffaustausches. Es folgten Tätigkeiten im internationalen Großchemieanlagenbau als Projektleiter und in Stabsfunktion Technische Koordinierung beim Vorstand. Er wurde 1969 als Professor an die Fachhochschule für Technik und Gestaltung in Mannheim berufen, wo er bis 2002 u. a. die Arbeitsbereiche Thermische Verfahrenstechnik, Anlagenbau und Umweltschutz/Entsorgungstechnik in Lehre, Forschung und im Rahmen von Ingenieurberatungen und Gutachten vertrat. Er war darüber hinaus Gastdozent an der Berufsakademie Mannheim, Seminarleiter und Dozent bei Institutionen für die berufliche Weiterbildung wie dem Haus der Technik in Essen und nahm Lehraufträge im Ausland wahr.

Prof. Sattler verfasste Fachbücher zur Thermischen Verfahrenstechnik und zum Anlagenbau, die inzwischen als Standardwerke für Lehre und Praxis zum jeweiligen Fachgebiet angesehen werden. Dazu kam die Herausgabe einer Fachbuchreihe „Umweltschutz, Entsorgungstechnik“.

Till Adrian lehrt an der Hochschule Mannheim als Nachfolger von Prof. Sattler seit 2002 die Fächer Thermische Verfahrenstechnik, Thermodynamik der Gemische, Prozesssimulation, Anlagenprojektierung und Verfahrensentwicklung. Er studierte von 1988–1993 Verfahrenstechnik an der Universität Karlsruhe und an der University of Minnesota, Minneapolis USA. Nach einer Promotion auf dem Gebiet der Technischen Thermodynamik an der Universität Kaiserslautern trat er 1997 in die Technische Entwicklung der BASF SE Ludwigshafen ein. Seine Betätigungsfelder waren hier insbesondere die Prozesssimulation von Gesamtverfahren im Bereich der Grundchemikalien, die Auslegung von Rektifikationsprozessen sowie Planung, Bau und Betrieb von miniplant- und Pilotanlagen für die Verfahrensentwicklung.