1 Grundlagen Verfahrenstechnik

1.1 Unit Operations

Verfahrenstechnik ist die Ingenieurdisziplin, die Stoffänderungsverfahren erforscht, entwickelt und verwirklicht. Sie befasst sich damit, mittels physikalischer, chemischer, biologischer und nuklearer Prozesse Stoffe in ihrer Art, ihren Eigenschaften oder ihrer Zusammensetzung umzuwandeln mit dem Ziel, nutzbare Zwischen- oder Endprodukte zu erzeugen [1]. Die Verfahrenstechnik entwickelt somit Verfahren im industriellen Maßstab, bei denen die zu verarbeitenden Stoffe bezüglich ihrer inneren Struktur und/oder der physikalischen und chemischen Eigenschaften verändert werden. Da Stoffe sich in der Regel nicht ohne Einwirkung äußerer Kräfte umwandeln, muss diesen Prozessen Energie zugeführt werden. Bei anderen verfahrenstechnischen Prozessen kann aber auch Energie freiwerden (exotherme Prozesse). Gemeinsam ist allen verfahrenstechnischen Prozessen, dass sowohl Stoff als auch Energie (häufig in Form von Wärme) übertragen wird.

Um eine Stoffänderung zu erreichen und ein verkaufsfähiges Produkt zu erzeugen, können verfahrenstechnische Prozesse einen sehr komplexen Umfang annehmen (siehe Abbildung 1.1). Um diese Prozesse einer Berechnung zugänglich zu machen, werden sie in ihre „Bausteine“ zerlegt, die so genannten Grundoperationen (Unit Operations). Die verschiedenen Unit Operations werden berechnet und zu einer Gesamtanlage zusammengefügt (Prozesssynthese). Tabelle 1.1 zeigt beispielhaft einige Unit Operations der Verfahrenstechnik. Die Verfahren werden allgemein nach ihrem Zweck in Reagieren, Vereinigen, Trennen, Zerteilen, Wärmeübertragen sowie Lagern, Verpacken, Fördern und Formgeben eingeteilt. Um den Zweck zu erreichen, sind physikalische, chemische oder biologische Kräfte erforderlich, wodurch die speziellen Unit Operations festgelegt werden (auf die kernphysikalischen Kräfte wird hier nicht näher eingegangen).

Abbildung 1.1: Funktionsschema eines fossil befeuerten Heizkraftwerks [2].

Die angelieferte Kohle gelangt über Fördereinrichtungen zur Kohlemühle. Hier wird die Kohle staubfein zermahlen und mit vorgewärmter Luft getrocknet. Zusammen mit der Verbrennungsluft wird die Kohle in die Brennkammer des Hauptkessels eingeblasen und verbrannt. Bei der Oxidation der Kohle wird durch die exotherme Reaktion Wärme frei und es entstehen heiße Verbrennungsgase. Diese durchströmen den Dampferzeuger. Hierbei handelt es sich um ein von Wasser durchflossenes Wärmetauschersystem. Das Wasser nimmt die Wärme der Verbrennungsgase auf und verdampft dadurch bei hohen Temperaturen (über 500°C) und Drücken (200 bar). In der Dampfturbine gibt der Dampf die in ihm gespeicherte Wärmeenergie als mechanische Energie an die Dampfturbine ab. Die sich dadurch mit etwa 3000 Umdrehungen pro Minute drehende Welle der Turbine überträgt ihre Bewegungsenergie auf den Generator. Der Generatorläufer dreht sich in seinem Magnetfeld und wandelt dadurch seine Bewegungsenergie in elektrische Energie um. Über den Transformator wird der Strom als Produkt an die Kunden verkauft.

Die Energie des aus der Turbine austretenden Dampfs reicht nicht mehr aus, um hiermit Strom zu erzeugen, ist aber noch groß genug, um Dampf und Heißwasser zu Heizzwecken (Fernwärme) bereitzustellen. Die danach nicht mehr nutzbare Wärme wird im Kondensator über das Kühlwasser als Abwärme abgegeben, der Dampf kondensiert, das Kühlwasser erwärmt sich. Das kondensierte Wasser strömt zum Dampferzeuger und wird in einem erneuten Kreislauf verdampft. Das erwärmte Kühlwasser gibt im Kühlturm die aufgenommene Wärme an die Umgebungsluft ab. Die dabei verdunstende Wassermenge muss dem Kühlkreislauf wieder zugeführt werden. Zu diesem Zweck wird Wasser aus einem Fluss entnommen und in der Kühlwasserreinigung aufbereitet.

Die im Dampferzeuger abgekühlten Verbrennungsgase (Rauchgase) können nicht direkt an die Umwelt abgegeben werden, da bei der Verbrennung von Kohle als umweltbelastende Emissionen Stickoxide, Staub und Schwefeldioxid anfallen, die aus dem Abgasstrom entfernt werden müssen. Hier wird ein weiteres Aufgabengebiet der Verfahrenstechnik deutlich, der Umweltschutz. Mittels eines katalytischen Verfahrens werden in der...