Thermische Verfahrenstechnik (eBook)

Prof. Dr.-Ing. Arnold Mersmann war Inhaber des Lehrstuhls für Verfahrenstechnik der TU München mit den Forschungsgebieten Mehrphasenströmungen und Feststoffgrenzflächen.  Prof. Dr.-Ing. Matthias Kind ist Leiter des Instituts für Thermische Verfahrenstechnik an der Universität Karlsruhe. Seine Forschungsschwerpunkte liegen in der Prozessentwicklung und Produktgestaltung, vor allem mittels Kristallisation und Fällung. Prof. Dr.-Ing. Johann Stichlmair ist Inhaber des Lehrstuhls für Fluidverfahrenstechnik an der TU München. Seine Forschungsschwerpunkte liegen in der Prozesssynthese und die Apparatedimensionierung in der Thermischen Verfahrenstechnik.

Vorwort 5
Inhaltsverzeichnis 7
Formelzeichen 13
Einleitung 22
1 Phasengleichgewichte 26
1.1 Flüssigkeit/Gas-Systeme 27
1.1.1 Verhalten reiner Stoffe 27
1.1.2 Verhalten von binären Gemischen 35
1.1.3 Verhalten idealer Gemische 48
1.1.4 Reales Verhalten von Flüssigkeitsgemischen 55
1.2 Flüssigkeit/Flüssigkeit-Systeme 78
1.3 Flüssigkeit/Feststoff-Systeme 83
1.4 Sorptionsgleichgewichte 89
1.4.1 Sorption einer Komponente 89
1.4.2 Phasenänderungs- und Bindungswärme 95
1.4.3 Adsorption von zwei und mehr Komponenten 97
1.4.4 Voraussage von Einkomponenten-Adsorptions-Isothermen 102
1.4.5 Molekülbasierte Voraussage von Adsorptionsisothermen 105
1.4.6 Voraussage von Mehrkomponenten-Adsorptions- Gleichgewichten 109
1.5 Enthalpie-Konzentrations-Diagramm 117
2 Grundlagen der Ein- und Mehrphasenströmung 132
2.1 Einige Gesetze der Einphasenströmung 133
2.1.1 Massenerhaltungssatz und Kontinuitätsgleichung 133
2.1.2 Wirbelfreie Bewegung und Wirbelbewegung 134
2.1.3 Das zähe Fluid 135
2.1.4 Navier-Stokes-, Euler- und Bernoulli-Gleichungen 135
2.1.5 Laminare und turbulente Strömung in Rohren und Öffnungen 138
2.1.6 Das turbulente Strömungsfeld 143
2.1.7 Molekularströmung und Molekulardiffusion 144
2.1.8 Filmströmung an senkrechten Wänden 146
2.2 Gegenstrom von Gas und Flüssigkeit im senkrechten Rohr 149
2.3 Ähnlichkeitstheorie und Kennzahlen, Bedeutung der Kennzahlen 151
2.4 Kennzeichnung von Partikelsystemen 153
2.5 Durchströmte Festbetten 157
2.6 Disperse Systeme im Erdschwerefeld 158
2.6.1 Die Endsteig- oder Endfallgeschwindigkeit 161
einzelner 161
Teilchen 161
2.6.2 Volumenanteile (Fließbetten, Sprüh-, Blasen- und Tropfensäulen) 165
2.7 Erzwungene Großraumströmungen in Rührwerken 170
3 Bilanzierung, Wärme- und Stoffübertragung 184
3.1 Einführung 184
3.2 Bilanzierung 185
3.2.1 Grundlagen 185
3.2.2 Beispiele für Bilanzierungen ohne kinetische Vorgänge 190
3.3 Wärme- und Stoffübertragung 203
3.3.1 Kinetische Ansätze 203
3.3.2 Wärme- und Stoffübergangskoeffizienten 208
3.3.3 Beispiele für Bilanzierungen 225
kinetischen Vorgängen 225
4 Destillation, Rektifikation, Absorption 246
4.1 Destillation 247
4.1.1 Grundlagen 247
4.1.2 Kontinuierliche geschlossene Destillation 256
4.1.3 Diskontinuierliche offene Destillation, Batchdestillation 261
4.2 Rektifikation 265
4.2.1 Grundlagen 266
4.2.2 Kontinuierliche Rektifikation 269
4.2.3 Batchrektifikation 305
4.3 Absorption, Desorption 317
4.3.1 Absorptionsgleichgewicht 318
4.3.2 Physikalische Absorption 320
4.3.3 Chemische Absorption, Chemisorption 326
4.4 Gestaltung und Dimensionierung von Stoffaustauschkolonnen 331
4.4.1 Bodenkolonnen 331
4.4.2 Packungskolonnen 345
5 Extraktion 366
5.1 Phasengleichgewicht 367
5.1.1 Wahl des Extraktionsmittels 370
5.2 Thermodynamische Berechnung der Extraktion 371
5.2.1 Einstufige Extraktion 372
5.2.2 Vielstufige Kreuzstrom-Extraktion 374
5.2.3 Vielstufige Gegenstrom-Extraktion 375
5.3 Bauformen von Extraktionsapparaten 379
5.3.1 Apparate für die Solventextraktion 379
5.3.2 Wahl der dispersen Phase 384
5.3.3 Phasenscheider 385
5.4 Dimensionierung von Flüssig/flüssig-Extraktoren 389
5.4.1 Fluiddynamische Auslegung 389
5.4.2 Stoffübergang in Extraktraktionsapparaten 397
6 Verdampfen und Kondensieren 406
6.1 Verdampferbauarten 407
6.2 Vielstufenverdampfung 412
6.3 Kondensatorbauarten 420
6.4 Auslegung von Verdampfern und Kondensatoren 422
6.5 Brüdenverdichtung 429
6.6 Verdampfungsverfahren 430
7 Kristallisation 434
7.1 Grundlagen und Gleichgewichte 434
7.1.1 Grundlagen 435
7.1.2 Gleichgewichte 438
7.2 Kristallisationsverfahren und -apparate 439
7.2.1 Kühlungskristallisation 440
7.2.2 Verdampfungskristallisation 441
7.2.3 Vakuumkristallisation 442
7.2.4 Verdrängungs- und Reaktionskristallisation 443
7.2.5 Kristallisationsapparate 444
7.3 Bilanzen 455
7.3.1 Stoffbilanz des kontinuierlich betriebenen Kristallisators 455
7.3.2 Stoffbilanz des Batch-Kristallisators 460
7.3.3 Energiebilanz des kontinuierlich betriebenen Kristallisators 463
7.3.4 Anzahlbilanz 465
7.4 Kristallisationskinetik 469
7.4.1 Keimbildung und metastabiler Bereich 469
7.4.2 Kristallwachstum 479
7.4.3 Aggregation und Agglomeration 486
7.4.4 Keimbildung und -Wachstum in MSMPR-Kristallisatoren 495
7.5 Auslegung von Kristallisatoren 497
8 Adsorption 504
8.1 Technische Adsorbentien 504
8.2 Adsorptionsapparate 508
8.3 Sorptionsgleichgewichte 514
8.4 Ein- und mehrstufige Adsorber 515
8.4.1 Die einstufige Apparatur 515
8.4.2 Die Kreuzstromschaltung 516
8.4.3 Die Gegenstromschaltung 518
8.5 Adsorptionskinetik 520
8.5.1 Vereinfachte Lösungen für das Festbett 525
8.5.2 Vereinfachte Lösung für das Einzelpartikel 530
8.5.3 Kinetische Transportkoeffizienten 533
8.5.4 Der adiabate Festbettadsorber 539
8.6 Regenerieren der Adsorbentien 545
8.7 Adsorptionsverfahren 548
9 Trocknung 554
9.1 Bauarten von Trocknern 555
9.2 Trocknungsgüter und Trocknungsmittel 560
9.2.1 Trocknungsgüter 560
9.2.2 Trocknungsmittel 565
9.2.3 Trocknen durch Strahlung 565
9.3 Die einstufige Apparatur im Enthalpie-Beladungs- Diagramm 566
9.4 Bilanzen einer mehrstufigen Apparatur 572
9.5 Strömungs- und wärmetechnische Auslegung 574
9.6 Trocknungsverlauf 575
9.6.1 I. Trocknungsabschnitt 576
9.6.2 Der Knickpunkt 579
9.6.3 II. Trocknungsabschnitt 580
9.7 Einige Trocknungsverfahren 585
10 Konzeptuelle Prozessentwicklung 590
10.1 Prozesse zur Zerlegung binärer Stoffgemische 592
10.2 Prozesse zur Zerlegung zeotroper Mehrkomponentengemische 599
10.2.1 Basisprozesse zur Zerlegung ternärer Gemische 600
10.2.2 Prozesse mit Seitenkolonnen 604
10.2.3 Thermische Kopplung 610
10.3 Prozesse zur Zerlegung azeotroper Gemische 614
10.3.1 Prozesse zur Zerlegung von Heteroazeotropen 614
10.3.2 Druckwechselrektifikation 616
10.3.3 Zerlegung azeotroper Gemische unter Verwendung eines Entrainers 618
10.4 Hybridprozesse zur Zerlegung azeotroper Gemische 623
10.5 Reaktivrektifikation 631
Literaturverzeichnis 634
Kapitel 1 634
Kapitel 2 637
Kapitel 3 639
Kapitel 4 641
Kapitel 5 644
Kapitel 6 646
Kapitel 7 648
Kapitel 8 651
Kapitel 9 653
Kapitel 10 654
Sachverzeichnis 656