Praxiswissen der chemischen Verfahrenstechnik (eBook)

Prof. Dr. Daniel. S. Christen ist seit 1988 für die chemische Industrie tätig. Nach einem Anfang als Projektingenieur war er schließlich weltweiter Produktionsexperte und Werkskoordinator eines bedeutenden chemischen Großkonzerns. Seit 1995 ist er vollamtlicher Dozent an der Berner Fachhochschule in Burgdorf.

Vorwort 5
Aufbau des Buches 7
Inhalt 9
Teil I Grundlagen 20
1 Einführung 21
1.1 Definitionen 21
1.2 Fachorganisationen 26
1.3 Maßeinheiten 29
1.4 Fragen aus der Praxis 36
1.5 Literatur 36
2 Projektierung 38
2.1 Maßstabsvergrößerung 38
2.2 Planung von Chemieanlagen 50
2.3 Projektmanagement 58
2.4 Zeit- und Ressourcenplanung 66
2.5 Fragen aus der Praxis 74
2.6 Literatur 75
3 Werkstoffe 76
3.1 Mechanische Eigenschaften 76
3.2 Korrosion 88
3.3 Korrosionschutz 95
3.4 Eisen & Stahl
3.5 Nicht-Eisenmetalle 113
3.6 Keramiken 127
3.7 Kunststoffe 138
3.8 Naturstoffe 159
3.9 Fragen aus der Praxis 161
3.10 Literatur 162
4 Reaktionstechnik 164
4.1 Begriffe 164
4.2 Reaktoren 169
4.3 Stoffbilanzen 180
4.4 Verweilzeitverteilung 186
4.5 Fragen aus der Praxis 190
4.6 Literatur 191
5 Berechnungen und Antworten zu Teil I 192
5.1 Einführung 192
5.2 Projektierung 193
5.3 Werkstoffe 195
5.4 Reaktionstechnik 196
Teil II Ausgleichsvorgänge 199
6 Strömungslehre 201
6.1 Einleitung 201
6.2 Strömung ohne Reibung 203
6.3 Strömung mit Reibung 206
6.4 Rohrströmung 212
6.5 Filmströmung 226
6.6 Impulskraft 230
6.7 Rheologie 232
6.8 Fragen aus der Praxis 242
6.9 Literatur 245
7 Wärmeübertragung 246
7.1 Einleitung 246
7.2 Strahlung 248
7.3 Wärmeleitung 258
7.4 Konvektion 274
7.5 Wärmedurchgang 292
7.6 Wärmeübertrager 305
7.7 Fragen aus der Praxis 317
7.8 Literatur 318
8 Stofftransport 319
8.1 Einleitung 319
8.2 Diffusion 321
8.3 Konvektion 331
8.4 Stoffdurchgang 339
8.5 Stofftransport und chemische Reaktion 350
8.6 Stofftransport und Wärmeübertragung 356
8.7 Analogien des Impuls-, Wärme- und Stofftransports 361
8.8 Fragen aus der Praxis 366
8.9 Literatur 366
9 Berechnungen und Antworten zu Teil II 368
9.1 Strömungslehre 368
9.2 Wärmeübertragung 377
9.3 Stofftransport 381
Teil III Grundoperationen 385
10 Mischen, Rühren 388
10.1 Einleitung 388
10.2 Rührertypen 389
10.3 Strömungsbild 390
10.4 Wahl des Rührertyps 392
10.5 Leistungsbedarf eines Rührwerks 392
10.6 Statische Mischer 394
10.7 Fragen aus der Praxis 395
10.8 Literatur 396
11 Sedimentieren 397
11.1 Definition 397
11.2 Maßgebende Kräfte 398
11.3 Strömung um ein kugelförmiges Teilchen 399
11.4 Sinkgeschwindigkeit beliebig geformter Teilchen 402
11.5 Sinkgeschwindigkeit eines Teilchenschwarms 404
11.6 Auslegung von Sedimentationsapparaten 405
11.7 Fragen aus der Praxis 406
11.8 Literatur 407
12 Verdampfen 408
12.1 Begriffe und Definitionen 408
12.2 Verdampfungsarten 417
12.3 Verdampferbauarten 426
12.4 Fragen aus der Praxis 434
12.5 Literatur 435
13 Kondensieren 436
13.1 Begriffe und Definitionen 436
13.2 Wärmeübergang bei Filmkondensation 438
13.3 Kondensatorbauarten 443
13.4 Fragen aus der Praxis 446
13.5 Literatur 446
14 Destillation 448
14.1 Einleitung 448
14.2 Physikalische Grundlagen 449
14.3 Destillationsverfahren 465
14.4 Fragen aus der Praxis 473
14.5 Literatur 473
15 Rektifikation 475
15.1 Einleitung 475
15.2 Berechnung der theoretischen Stufenzahl 478
15.3 Einbauten von Rektifikationskolonnen 492
15.4 Dimensionierung einer Rektifikationskolonne 501
15.5 Sonderfälle der Rektifikation 509
15.6 Fragen aus der Praxis 516
15.7 Literatur 517
16 Trocknung 519
16.1 Einleitung 519
16.2 Zustandsänderung des feuchten Guts 524
16.3 Zustandsänderung der feuchten Luft 530
16.4 Trocknungsapparate 542
16.5 Fragen aus der Praxis 557
16.6 Literatur 558
17 Berechnungen und Antworten zu Teil III 560
17.1 Mischen, Rühren 560
17.2 Sedimentieren 561
17.3 Verdampfen 562
17.4 Kondensieren 565
17.5 Destillation 567
17.6 Rektifikation 570
17.7 Trocknung 574
Teil IV Regelungstechnik 579
18 Einleitung in die Regelungstechnik 581
18.1 Aufgabe einer Regelung 581
18.2 Begriffe und Bezeichnungen 582
18.3 Beispiele von Regelungen 583
18.4 Fragen aus der Praxis 586
19 Steuerung und Regelung 587
19.1 Wirkungsplan 587
19.2 Steuerung 590
19.3 Regelung 592
19.4 Fragen aus der Praxis 597
20 Übertragungsverhalten 598
20.1 Beharrungskennlinie 599
20.2 Dynamische Eingangsfunktionen 600
20.3 Sprungantworten 600
20.4 Frequenzgänge 610
20.5 Fragen aus der Praxis 614
21 Reglertypen 615
21.1 Stetige Regler 617
21.2 Unstetige Regler 621
21.3 Fragen aus der Praxis 625
22 Regelgüte 627
22.1 Führungsverhalten 627
22.2 Störverhalten 629
22.3 Bewertung der Regelgüte 630
22.4 Bewertung der Regelbarkeit 633
22.5 Fragen aus der Praxis 635
23 Einstellregeln für industrielle Regler 637
23.1 Ziegler-Nichols 638
23.2 Chien-Hrones-Reswick 639
23.3 T-Summen-Regel 640
23.4 Fragen aus der Praxis 642
24 Komplexe Regelsysteme 643
24.1 Split-Range-Regelung 643
24.2 Kaskadenregelung 645
24.3 Verhältnisregelung 647
24.4 Fragen aus der Praxis 649
25 Prozessleittechnik 650
25.1 Entwicklung der Prozessleittechnik 650
25.2 Aufbau eines Prozessleitsystems 653
25.3 Funktionen eines Prozessleitsystems 654
25.4 Darstellungen im Prozessleitsystem 656
25.5 Sicherheit computergesteuerter Anlagen 657
25.6 Fragen aus der Praxis 659
26 Berechnungen und Antworten zu Teil IV 661
26.1 Einleitung 661
26.2 Steuerung und Regelung 662
26.3 Übertragungsverhalten 665
26.4 Reglertypen 668
26.5 Regelgüte 671
26.6 Einstellmethoden für industrielle Regler 673
26.7 Komplexe Regelsysteme 676
26.8 Prozessleittechnik 678
27 Literatur zur Regelungstechnik 681
27.1 Normenwerke 681
27.2 Lehrbücher 681
27.3 Fachaufsätze 682
Sachverzeichnis 683

4 Reaktionstechnik (S. 147-148)

4.1 Begriffe

Die chemische Reaktionstechnik befasst sich mit der sicheren und umweltverträglichen Umsetzung einer chemischen Reaktion aus dem Labor in den technischen Maßstab. Im Zentrum steht die Auslegung eines chemischen Reaktors im Hinblick auf seine Form, Größe und Betriebsweise bei gegebener Reaktion und verlangter Produktionsleistung. Voraussetzungen dafür sind fundierte und detaillierte Kenntnisse über die Stöchiometrie, Reaktionskinetik und Thermodynamik aller möglichen Reaktionen inklusive der Bildung von Nebenprodukten.

Homogene und heterogene Reaktionen

Ein Reaktionsgemisch, d.h. das Gemisch, in dem die Reaktion stattfindet, besteht üblicherweise aus Rohstoffen, Hilfsmitteln und Begleitstoffen (Reaktanden, Lösungsmittel, Katalysatoren, Produkten, Nebenprodukten, Verunreinigungen, Verdünnungsmittel, Inertstoffe etc.). Das Reaktionsgemisch kann entweder homogen (einphasig) oder heterogen (mehrphasig) sein. Entsprechend unterscheidet man homogene und heterogene Reaktionen. Eine homogene Reaktion läuft in einer einzigen Phase ab, die alle für die Reaktion notwendigen Komponenten enthält. Die Phase kann gasförmig oder flüssig sein. Bei einer homogenen Reaktion in flüssiger Phase müssen alle Komponenten in einander löslich sein. Bei einer heterogenen Reaktion besteht das Reaktionsgemisch aus mindestens zwei verschiedenen Phasen, z.B. gasförmig-flüssig, gasförmig-fest, flüssig-flüssig oder flüssig-fest. Die Phasen sind hier miteinander auf molekularer Ebene nicht mischbar. Die Reaktion beruht auf dem Stoffaustausch mindestens einer Komponente über die Phasengrenze hinweg.

Strömungsführung

Die Strömungsführung zweier nicht mischbarer stofflicher Phasen in einem Reaktor kann gleichsinnig, gegensinnig, kreuzweise oder stationär durchdringend sein. Bei Gleichstrom treten beide Stoffströme auf der gleichen Seite in den Reaktor ein, verlaufen innerhalb des Reaktors parallel und treten beide auf der anderen Seite des Reaktors wieder aus. Bei Gegenstrom tritt ein Stoffstrom am Austrittsort des anderen in den Reaktor ein, und umgekehrt. Innerhalb des Apparates verlaufen die Stoffströme antiparallel. Bei Kreuzstrom verlaufen die Stoffströme innerhalb des Apparates im rechten Winkel zu einander. Bei Teilstrom ist der eine Stoffstrom ortsfest, während der zweite durch ihn hindurch fließt. Die verschiedenen Arten der Strömungsführung sind in der Abb. 4.1 schematisch dargestellt.