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Klaus Sattler
ThermischeTrennverfahren
WILEY-VCHThermische Trenn verfahren: Grundlagen, Auslegung, Apparate, Dritte Auflage. Klaus SattlerCopyright © 2001 WILEY-VCH Verlag GmbH, WeinheimISBN: 3-527-30243-3
Klaus Sattler
ThermischeTrennverfahren
WILEY-VCHThermische Trenn verfahren: Grundlagen, Auslegung, Apparate, Dritte Auflage. Klaus SattlerCopyright © 2001 WILEY-VCH Verlag GmbH, WeinheimISBN: 3-527-30243-3
Klaus Sattler
ThermischeTrennverfahren
WILEY-VCHThermische Trenn verfahren: Grundlagen, Auslegung, Apparate, Dritte Auflage. Klaus SattlerCopyright © 2001 WILEY-VCH Verlag GmbH, WeinheimISBN: 3-527-30243-3
Klaus Sattler
ThermischeTrennverfahrenGrundlagen, Auslegung, Apparate
Dritte, überarbeitete und erweiterte Auflage
)WILEY-VCHWeinheim • New York • Chichester • Brisbane • Singapore • Toronto
Professor Dipl. Ing. Klaus SattlerFachhochschule MannheimHochschule für Technik und GestaltungUniversity of Applied SciencesWindeckstraße 11068163 Mannheim
Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autor und Verlag für die Rich-tigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler keine Haftung.
1. Auflage 19882. überarbeitete und erweiterte Auflage 19953. überarbeitete und erweiterte Auflage 2001
Umschlagsphoto: Die Salpetersäure-Anlagen sind ausgerüstet mit einer katalytischen Abgasreinigung zurReduzierung der Stickoxiden. Foto BASF AG, Ludwigshafen.
Die Deutsche Bibliothek - CIP-EinheitsaufnahmeEin Titeldatensatz für diese Publikation ist bei Die Deutsche Bibliothek erhältlich
ISBN 3-527-30243-3
© WILEY-VCH Verlag GmbH, D-69469 Weinheim (Federal Republik of Germany). 2001 Gedruckt aufsäurefreiem Papier.Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buchesdarf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form - durch Photokopie, Mikroverfil-mung oder irgendein anderes Verfahren - reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Da-tenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe vonWarenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu derAnnahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um ein-getragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens alssolche markiert sind.All rights reserved (including those of translation into other languages). No part of this book may be repro-duced in any form - by photoprinting, microfilm, or any other means - nor transmitted or translated into amachine language without written permission from the publishers. Registered names, trademarks, etc. usedin this book, even when not specifically marked äs such, are not to be considered unprotected by law.
Satz: Mitterweger & Partner, 68723 PlankstadtDruck: Strauss Offsetdruck GmbH, 69503 MörlenbachBindung: Wilhelm Osswald & Co, 67433 NeustadtPrinted in the Federal Republik of Germany
Vorwort zur dritten Auflage
Nachdem die bisherigen Auflagen der „Ther-mischen Trennverfahren" und der „ThermalSeparation Processes" in der Praxis und imHochschulbereich sehr positiv aufgenommenwurden, liegt jetzt wieder eine überarbeitete,aktualisierte und erweiterte Neuauflage vor.
Die bewährte Art der ballastfreien Darstel-lung mit besonderem Bezug zur Anwendungs-praxis und mit vielen aussagekräftigen Abbil-dungen und Tabellen der vorherigen Auflagenwurde beibehalten. Auch in der vorliegendenNeuauflage ergänzen Beispiele ausgeführterAnlagen der Praxis mit zugehörigen typischenBetriebsdaten die dargestellten Auslegungs-routinen und verdeutlichen die Anwendungder Trennverfahren auch in ihrem modernenVerbund. Auch auf neueste Verfahrensvarian-ten und Bauformen wird in Fließbildern undApparateskizzen hingewiesen.
Wie im Vorwort zu den bisherigen Auflagenschon erwähnt, war es in Anbetracht derStoff fülle nicht möglich, auch noch durch-gerechnete Übungs- und Dimensionierungs-beispiele aufzunehmen. Eine Überarbeitungmeines Buches „Thermische Trennverfahren.Aufgaben und Lösungen, Auslegungsbeispie-le" ist geplant.
Mein Dank gilt wieder, wie bei den vorheri-gen Auflagen, jenen Autoren, Firmen und In-stituten, die mich mit ausgezeichnetem Bild-und Informationsmaterial unterstützten. DieWILEY-VCH Verlag GmbH sorgte wieder inbewährter Weise für eine ausgezeichnete Aus-stattung der vorliegenden Neuauflage. MeinDank gilt hier insbesondere Frau Karin Soravom Lektorat und Herrn Hans Jörg Maier mitseinem Herstellungsteam.
Brühl, im Frühjahr 2001 Klaus Sattler
Vorwort zur zweiten Auflage
Nachdem die erste Auflage der „ThermischenTrenn verfahren" in der Praxis und im Hoch-schulbereich - inzwischen auch in englischerÜbersetzung - eine ausgezeichnete Aufnahmefand, liegt jetzt eine überarbeitete, aktuali-sierte und erheblich erweiterte Neuauflagevor.
Bei der Überarbeitung wurde die bewährteArt der ballastfreien Darstellung mit vielen in-formativen Abbildungen und Tabellen beibe-halten. Weitere, ergänzte Beispiele ausgeführ-ter Anlagen mit zugeordneten Betriebsdatenverdeutlichen die praktische Anwendung derthermischen Trennverfahren auch in ihremVerbund und unterstreichen den betontenPraxisbezug des Buches.
Es war, wie im Vorwort zur ersten Auflageschon erwähnt, in Anbetracht der Stoffülle
nicht möglich, durchgerechnete Übungs- undDimensionierungsbeispiele aufzunehmen. EinNachdruck meines Buches „ThermischeTrennverfahren. Aufgaben und Lösungen,Auslegungsbeispiele" kann über mich bezo-gen werden. Eine Überarbeitung ist geplant.
Mein Dank gilt jenen Autoren, Firmen undInstituten, die ausgezeichnetes Bild- und In-formationsmaterial der Anwendungspraxiszur Verfügung stellten. Die VCH-Verlagsge-sellschaft sorgte in bewährter Weise für eineausgezeichnete Ausstattung der Neuauflage.Mein Dank gilt hier insbesondere Frau KarinSora vom Lektorat, Frau Claudia Grössl unddem Herstellungsteam.
Brühl, im Herbst 1995 Klaus Sattler
Vorwort zur ersten Auflage
Bei der Herstellung von Produkten und Ver-brauchsgütern in der chemischen und pharma-zeutischen Industrie, der Raffinerietechnikund petrochemischen Industrie, der Gas- undBrennstoff technik, der Grundstoffindustrieund der Lebensmitteltechnik etc. spielen phy-sikalische Grundoperationen zur thermischenZerlegung von Gemischen eine besonderswichtige Rolle. Gemessen an der Bedeutungder thermischen Trenntechnik gibt es zu weni-ge kurzgefaßte und praxisorientierte Gesamt-darstellungen der thermischen Trennverfahrenim deutschen Sprachbereich, und auch diesebeschreiben nur die Verfahren. Das vorliegen-de Buch als völlig überarbeitete, ergänzte undaktualisierte Neuauflage einer im Vorlesungs-bereich und im Rahmen von Weiterbildungs-veranstaltungen beim Haus der Technik in Es-sen und bei der Technischen Akademie Esslin-gen bewährten Erstauflage soll helfen, dieseLücke zu schließen.
Das Buch wendet sich an Studierende desChemieingenieurwesens und der Verfahrens-technik, der Lebensmitteltechnik, der Bio-technologie und des Umweltschutzes, des Ma-schinenbaus, der Chemie und der Physik. Essoll aber auch den Ingenieur der genanntenFachrichtungen, den Chemiker und Physikerin der Praxis ansprechen.
Ein umfangreiches Einführungskapitel ver-deutlicht die physikalischen und physikalisch-chemischen Gesetzmäßigkeiten und Prinzi-pien, die allen thermischen Trennverfahrengemeinsam zugrunde liegen. Erst dann folgtdie textlich geraffte, mit vielen erläuterndenAbbildungen und Tabellen durchsetzte, sehrpraxisorientierte verfahrensspezifische Dar-stellung von Verfahrensweise, Auslegungs-prinzipien und apparativer Realisierung.Zahlreiche Hinweise auf spezielle Literatur
z.B. über bestimmten Dimensionierungskon-zepten zugrunde liegende Modellvorstellun-gen, apparative Besonderheiten etc. verhelfenzu einer weitergehenden, umfassenderen In-formation. Ein breiter Leserkreis soll durchdiese Art der Darstellung zur Verfahrens- undApparateauswahl und zur Dimensionierungvon Einrichtungen zur thermischen Gemisch-zerlegung befähigt werden. Dabei werdennur jene mathematischen und physikalisch-chemischen Vorkenntnisse vorausgesetzt, diein den ersten Studiensemestern vermitteltwerden.
Da die Verflechtung mit dem angelsächsi-schen Sprachraum im Bereich der Verfahrens-technik besonders eng ist, sollen deutsch-eng-lische Stichworte und Bildunterschriften demLeser englische Spezialausdrücke der thermi-schen Trenntechnik nahebringen.
Mein Dank gebührt Herrn Dr. Ebel vomVerlagslektorat, der meinen Vorstellungenvon der Konzeption des Buches und von dermanchmal etwas unüblichen Gestaltung derTabellen und Abbildungen wohlwollendesVerständnis entgegenbrachte. Mein Dank ge-bührt insbesondere auch Frau Jacob, die mitSachverstand und Sorgfalt die Durchsicht desManuskripts übernahm und mit wertvollenAnregungen die Fertigung erleichterte. MeinDank gilt auch Frau Littmann, die die Her-stellung des Buches mit Sorgfalt organisierteund überwachte, sowie allen an der Herstel-lung Beteiligten.
Angesichts der großen Stoffülle und des be-schränkten Umfangs war es nicht möglich,durchgerechnete Auslegungsbeispiele aufzu-nehmen. Ich verweise hierzu auf mein neben-stehend zitiertes Buch, das wichtige Dimen-sionierungskonzepte für alle thermischenTrennverfahren beschreibt. Das Buch ist in-
VIII Vorwort zur ersten Auflage
zwischen vergriffen, kann aber als Nachdruck SATTLER, K.: Thermische Trennverfahren. Aufga-vom Verfasser bezogen werden. ben und Lösungen, Auslegungsbeispiele. Vogel-
Verlag, Würzburg 1979
Brühl, im Frühjahr 1988 Klaus Sattler
Inhalt
Häufig verwendete Formelzeichen XV
l Grundlagen l
1.1 Übersicht über die thermischen Trennverfahren, Prinzipien l
1.2 Betriebsformen thermischer Trennverfahren 7
1.3 Stoffbilanz, Energiebilanz, Exergiebilanz 81.3.1 Stoff-, Energie- und Wärmebilanz 81.3.2 Exergiebilanz 121.3.3 Durchrechnung der Bilanzierungsgleichungen 13
1.4 Phasengleichgewichte 131.4.1 Allgemeine Begriffe 131.4.1.1 Allgemeine Differentialgleichung für das Gleichgewicht zweier Phasen 171.4.1.2 Gibbssches Phasengesetz (Phasenregel) 181.4.2 Phasengleichgewicht Flüssigphase-Flüssigphase 191.4.2.1 Nernstscher Verteilungssatz 191.4.2.2 Darstellung des Phasengleichgewichts Flüssigphase-Flüssigphase 231.4.3 Phasengleichgewicht Gasphase-Flüssigphase 291.4.3.1 Einkomponentensysteme 291.4.3.2 Zwei- und Mehrkomponentensysteme 301.4.3.3 Henrysches Gesetz, Gaslöslichkeit 471.4.3.4 Siedegleichgewicht von Feststofflösungen, Dampfdruckerniedrigung,
Siedepunktserhöhung 591.4.4 Phasengleichgewicht Gasphase-Festphase 611.4.4.1 Phasengleichgewicht Gasphase-Festphase bei der Sublimation 611.4.4.2 Phasengleichgewicht Gasphase-Festphase bei Adsorption/Desorption
und konvektiver Feststofftrocknung (Adsorptionsgleichgewicht) 621.4.5 Phasengleichgewicht Flüssigphase-Festphase 691.4.5.1 Löslichkeit fester Stoffe in flüssigen Lösungsmitteln 691.4.5.2 Schmelzdruckkurve 721.4.5.3 Gefrierpunktserniedrigung 731.4.5.4 Zustandsdiagramme binärer Systeme mit fester und flüssiger
Gleichgewichtsphase 741.4.6 Enthalpie des Phasenübergangs 75
1.5 Trennfaktor, relative Flüchtigkeit 75
1.6 Mindesttrennarbeit 77
1.7 Grundzüge des Stofftransports 78
X Inhalt
1.7.1 Stofftransport durch molekulare Diffusion 781.7.1.1 Stationäre Diffusion 781.7.1.2 Instationäre Diffusion 791.7.1.3 Diffusionskoeffizient 791.7.2 Stofftransport durch Konvektion 791.7.3 Stoffdurchgang 871.7.3.1 Zweifilmtheorie, Stoffdurchgangskoeffizient, Turbulenztheorien 88
1.8 Stationäre Gleichstromoperationen 90
1.9 Stationäre Gegenstromoperationen 921.9.1 Theorie der Trennstufen 931.9.2 Verfahren zur Bestimmung der Zahl der theoretischen Trennstufen
von Gegenstromkolonnen 951.9.3 Berechnung von Gegenstromkolonnen 1021.9.3.1 Mengenbilanzen 1051.9.3.2 Phasengleichgewichtsbeziehungen 1051.9.3.3 Enthalpiebilanzen 1051.9.3.4 Stöchiometrische Bedingungen für die Konzentrationssummen
jeder Gleichgewichtsstufe 1051.9.4 Kinetische Theorie der Gegenstromgemischzerlegung 1061.9.4.1 Stofftransport in beiden Richtungen zwischen den Phasen 1061.9.4.2 Stofftransport in einer Richtung 108
1.10 Stationäre Kreuzstromoperationen 111
1.11 Allgemeine Vorgehensweise bei der Auslegung von Einrichtungen zurthermischen Trennung von Gemischen 111
2 Destillation und Teilkondensation 123
2.1 Erläuterung der Begriffe einfache Destillation, Rektifikation,Teilkondensation 123
2.2 Diskontinuierlich und kontinuierlich betriebene einfache Destillation,Entspannungsdestillation 125
2.2.1 Diskontinuierlich betriebene einfache Destillation 1252.2.2 Kontinuierlich betriebene einfache Destillation 1292.2.3 Wärmebedarf einfacher Destilliereinrichtungen 1332.2.4 Entspannungsdestillation 136
2.3 Trägerdampfdestillation 137
2.4 Destillation unter Vakuum. Molekulardestillation 140
2.5 Gegenstromdestillation (Rektifikation) 1452.5.1 Verfahrensvarianten der Rektifikation 1482.5.1.1 Kontinuierlich betriebene Rektifikation in Rektifizierkolonnen mit
Verstärkungsteil und Abtriebsteil 1492.5.1.2 Reine Abtriebskolonne 1512.5.1.3 Reine Verstärkungskolonne 1512.5.1.4 Trennwandkolonne 151
Inhalt XI
2.5.1.5 Trägerdampfrektifikation 1532.5.1.6 Kombination verschiedener Varianten 1542.5.1.7 Rektifikation mit Hilfsstoff 1542.5.1.8 Heteroazeotroprektifikation 1652.5.1.9 Zweidruckverfahren 1662.5.1.10 Kombination der Rektifikation mit einem Membrantrennverfahren 1682.5.1.11 Diffusionsdestillation 1722.5.1.12 Rektifikation bei Überdruck-, Tieftemperatur-und Vakuumbetrieb 1732.5.1.13 Reaktivdestillation 1752.5.2 Kontinuierliche adiabate Rektifikation 1772.5.2.1 Mengenströme 1772.5.2.2 Wärmebedarf der Kolonne 1802.5.2.3 Maßnahmen zur Energieeinsparung 1802.5.2.4 Festlegung von Trennstufenzahl und wärme- und
stoffaustauschender Kolonnenhöhe 1942.5.2.5 Mindestrücklaufverhältnis, wirtschaftlich optimales Rücklaufverhältnis 2002.5.2.6 Zulaufstufe 2022.5.3 Diskontinuierliche adiabate Rektifikation 2022.5.3.1 Kopfproduktmenge 2042.5.3.2 Wärmebedarf 2042.5.3.3 Blasendurchmesser, freie Dampf raumhöhe, Kolonnendurchmesser 2062.5.3.4 McCabe-Thiele-Verfahren zur Bestimmung der Zahl der
theoretischen Trennstufen 2062.5.4 Halbkontinuierliche adiabate Rektifikation 2072.5.5 Festlegung des Kolonnendurchmessers 2072.5.6 Einbauten von Rektifizierkolonnen 2082.5.6.1 Kolonnenböden 2122.5.6.2 Regellos geschüttete Füllkörper, Packungen mit regelmäßiger Geometrie 242
2.6 Auswahl, Optimierung und Regelung von Rektifizieranlagen 274
2.7 Zubehör von Rektifizieranlagen 280
2.8 Gleichstromdestillation 282
2.9 Nichtadiabate Rektifikation 285
2.10 Teükondensation 2942.10.1 Teilkondensation aus Dampfgemischen 2942.10.2 Teilkondensation von Dämpfen aus Abgasen 298
3 Absorption 313
3.1 Erläuterung der Begriffe Absorption und Desorption, Verfahrensweise,Verfahrensbeispiele 313
3.1.1 Begriffserläuterung und Verfahrensweise 3133.1.2 Verfahrensbeispiele 314
3.2 Anforderungen an das Wasch-bzw. Lösungsmittel, Lösungsmittelbedarf 335
3.3 Enthalpie- bzw. Wärmebilanz 338
XII Inhalt
3.4 Absorption im Phasengleichstrom und im Phasenkreuzstrom 339
3.5 Absorption im Phasengegenstrom, Auslegung von Gegenstromkolonnen 3423.5.1 Festlegung des Kolonnenquerschnitts 3423.5.2 Festlegung von Stufenzahl und von Stoff- und
wärmeaustauschender Kolonnenhöhe 342
3.6 Bauformen von Absorbern 365
3.7 Regenerierung des Lösungsmittels, Desorption 366
4 Adsorption 381
4.1 Erläuterung der Begriffe Adsorption und Desorption, Verfahrensweise,Verfahrensbeispiele 381
4.1.1 Begriffserklärung 3814.1.2 Verfahrensweise, Verfahrensbeispiele 382
4.2 Adsorbentien, Adsorbensauswahl 3984.2.1 Adsorbentien 3984.2.2 Anforderungen an Adsorbentien, Adsorbensauswahl 4014.2.3 Technische Adsorbentien, Kenndaten von Adsorbentien 401
4.3 Kinetik der Adsorption 401
4.4 Varianten der Adsorption, Auslegung von Adsorbern 4104.4.1 Einstufige Adsorption im Behälteradsorber mit Adsorbensfestbett 4104.4.2 Mehrstufige Adsorption im Kreuzstrom von Abgeber- und Adsorbensphase . . . 4174.4.3 Mehrstufige Adsorption im Gegenstrom 417
4.5 Bauformen von Adsorbern 420
4.6 Desorption, Regeneration beladener Adsorbentien 426
5 Trocknung 433
5.1 Erläuterung des Begriffs, Verfahrensweise, Verfahrensbeispiele 433
5.2 Eigenschaften des feuchten Guts, Feuchte Wanderung 436
5.3 Eigenschaften des feuchten Gases, h, X-Diagramm 443
5.4 Wärme-und Stoff Übergang bei der Konvektionstrocknung 445
5.5 Kinetik der Trocknung, Trocknungsverlauf, Trocknungsdauer 453
5.6 Konvektionstrocknung 4585.6.1 Trockengas-und Wärmebedarf bei der Konvektionstrocknung 4585.6.2 Maßnahmen zur Energieeinsparung 4615.6.3 Varianten der Konvektionstrocknung 463
5.7 Kontakttrocknung (konduktive Trocknung) 466
5.8 Strahlungstrocknung 471
5.9 Hochfrequenztrocknung 472
5.10 Gefriertrocknung 473
Inhalt XIII
5.11 Bauformen von Trocknern 4775.11.1 Übersicht über die Trocknerbauformen, Auswahl, Auslegung 4775.11.2 Einzeldarstellung ausgewählter Trocknerbauformen mit Auslegungshinweisen. . 4855.11.2.1 Kammertrockner 4855.11.2.2 Kanaltrockner 4865.11.2.3 Bandtrockner 4865.11.2.4 Etagentrockner 4865.11.2.5 Trommeltrockner 4895.11.2.6 Wirbelschichttrockner 4905.11.2.7 Flugtrockner, Förderlufttrockner 4995.11.2.8 Zerstäubungstrockner 5025.11.2.9 Walzentrockner 5075.11.2.10 Dünnschichtverdampfer-Trockner (Vertikal- und Horizontaltrockner) 5075.11.2.11 Kontakt-Mengschichttrockner 5125.11.2.12 Kontakttrockner mit ständig durch Schwerkraft bewegtem Gut 5145.11.3 Regelung von Trocknern 519
6 Extraktion 523
6.1 Erläuterung des Begriffs und Verfahrensweise 523
6.2 Flüssig-Flüssig-Extraktion 5306.2.1 Einsatzbereiche und Verfahrensbeispiele 5306.2.2 Anforderungen an das Lösungsmittel, Lösungsmittelauswahl 5346.2.3 Varianten der Flüssig-Flüssig-Extraktion 5396.2.3.1 Einfache einstufige Extraktion 5396.2.3.2 Differentielle absatzweise Extraktion 5416.2.3.3 Mehrstufige Kreuzstromextraktion 5426.2.3 A Mehrstufige Gegenstromextraktion 5456.2.3.5 Gegenstromextraktion mit Extraktrücklauf 5606.2.3.6 Gegenstromverteilung 5626.2.4 Bauformen von Extraktionsapparaten 5636.2.4.1 Mischer-Abscheider, Mischer-Abscheider-Batterie 5646.2.4.2 Gegenstromkolonnen ohne und mit Energiezufuhr 5656.2.5 Auswahl und Auslegung von Extraktionsapparaten 596
6.3 Fest-Flüssig-Extraktion 598
6.4 Hochdruckextraktion (Destraktion) 605
7 Lösungseindampfung, Kristallisation 617
7.1 Begriffserläuterung und Verfahrensweise bei der Kristallisation 617
7.2 Kristallisation aus Lösungen 6267.2.1 Konzentrierung von Lösungen durch Eindampfung 6287.2.1.1 Einstufige Lösungseindampfung 6287.2.1.2 Mehrstufige Lösungseindampfung 6297.2.1.3 Lösungseindampfung unter Einbezug der mechanischen und
thermischen Brüdenverdichtung 6347.2.1.4 Mehrstufige Entspannungsverdampfung 640
XIV Inhalt
7.2.1.5 Bauformen von Verdampfern zur Eindampfung von Lösungen 6437.2.2 Bilanzierung von Kristallisatoren 6437.2.2.1 Kristallisatertrag 6437.2.2.2 Bei der Kristallisation zu- oder abzuführende Wärme 6497.2.3 Kristallisationskinetik, Kristallkeimbildung, Kristallwachstum 6517.2.4 Bauarten von Kristallisatoren für die Massenkristallisation aus Lösungen 6547.2.5 Hinweise zur Auswahl und Auslegung von Kristallisatoren 6617.2.6 Ausfrieren 6627.2.7 Fraktionierte Kristallisation aus Lösungen 663
7.3 Kristallisation aus der Schmelze 664
7.4 Kristallisation aus der Dampfphase, Sublimation und Desublimation 671
8 Dokumentation und Vorausberechnung von Stoffwerten 677
Literaturverzeichnis 681
Register 683
Häufig verwendete Formelzeichen undzugehörige übliche Einheiten
D
D, D
F
F
F,F
F
G, G
G
H
HETS
HTU
K*
L, L
Lc
M
N
NTSM
NTU
Fläche (area)
Querschnitt (cross section)
Diffusionskoeffizient (diffusion coefficient)
Dampfmasse, Dampfmenge, Dampfmassenstrom,Dampfmengenstrom (vapor, vapor flux)
Stufenaustauschgrad, Verstärkungsverhältnis(stage efficiency)
Kraft (force)
Belastungsfaktor (loading factor)
Mischungszulauf (feed)
Freie innere Energie (free internal energy)
Gasmasse, Gasmenge, Gasmassenstrom,Gasmengenstrom (gas, gas flux)
Freie Enthalpie (free enthalpy)
Enthalpie (enthalpy)
Stufenäquivalente Höhe (height equivalent to onetheoretical stage)
Höhe einer Übergangseinheit (height of a transfer unit) m
Phasengleichgewichtskonstante (phase equilibrium -constant)
Flüssigkeitsmasse, Flüssigkeitsmenge, Flüssigkeits-massenstrom, Flüssigkeitsmengenstrom(liquid, liquid flux)
Charakteristische Länge (characteristic lenght)
Molare Masse (molar mass)
Stufenzahl (number of stages)
Zahl der theoretischen Trennstufen pro m Packungs-höhe (number of theoretical stages per m height ofpacking)
Zahl der Übergangseinheiten (number of transfer units)
m
m2
m2/h
kg, kmol, kg/h, kmol/h
N
m/s • Vkg/m3 =
kg, kmol, kg/h, kmol/h
kJ
kg, kmol, kg/h, kmol/h
kJ
kJ
m
kg, kmol, kg/h, kmol/h
m
kg/kmol
XVI Formelzeichen
Q, Q Wärme, Wärmestrom (heat, heatflux)
R, R Rücklauf, Rücklaufstrom (reflux, reflux flow)
R Universelle Gaskonstante (gas constant)
S Entropie (entropy)
T Absolute Temperatur (absolute temperature)
U Innere Energie (infernal energy)
V, V Volumen, Volumenstrom (volume, volume flux)
V Molares Volumen (molar volume)
W Arbeit (work)
X Beladung, schwere Phase (concentration, heavy phase)
Y Beladung, leichte Phase (concentration, light phase)
Z Stoff- und wärmeaustauschende Apparatelänge bzw.-höhe (length, height)
a Aktivität (activity)
a Volumenspezifische Austauschfläche (specific area)
c Molare Konzentration (molar concentration)
cp, cp Spezifische Wärme (specific heat)
cw Widerstandsbeiwert (resistance coefficient)
d Durchmesser (diameter)
dp Partikeldurchmesser (particle diameter)
ds Sauter-Durchmesser (Sanier diameter)
f Fugazität (fugacity)
f, J Spezifische freie innere Energie(specific free infernal energy)
g Erdbeschleunigung (gravitational acceleration)
g, g Spezifische freie Enthalpie (specific free enthalpy)
h, h Spezifische Enthalpie (specific enthalpy)
Ah, Ah Latente Enthalpie (latent heat)
k Wärmedurchgangskoeffizient (overall heat transfercoefficient)
k Stoffdurchgangskoeffizient (overall mass transfercoefficient)
m, m Masse, Massenstrom (mass, mass flux)
kJ, kJ/h, W
kg, kg/h, kmol, kmol/h
kJ/(kmol • K)
kJ/K
K
kJ
m3, m3/h
mVkmol
kJ
m
m2/m3
kmol/m3
kJ/(kg - K),kJ/(kmol • K)
m
m
m
bar
kJ/kg, kJ/kmol
m/s2
kJ/kg, kJ/kmol
kJ/kg, kJ/kmol
kJ/kg, kJ/kmol
W/(m2 - K)
m/h
kg, kg/h
n, h Menge (Stoffmenge), Mengenstrom (number ofmoles,molar flux)
p Gesamtdruck (total pressure)
p i Partialdruck (partial pressure)
/?0? j Sattdampfdruck (saturated vapor pressure)
Ap Druckverlust (pressure drop)
q Spezifischer Wärmebedarf (specific heat requirement)
q Heizflächenbelastung (specific heat flux)
r Radius (radius)
r Reaktionsgeschwindigkeit (reaction rate)
s, s Spezifische Entropie (specific entropy)
s Transportweg (transfer distance)
t Zeit (time)
tm Mittlere Verweilzeit (mean residence time)
u, ü Spezifische innere Energie (specific internal energy)
v Rücklaufverhältnis, Lösungsmittelverhältnis,Adsorbensverhältnis (reflux ratio, solvent ratio,adsorbend ratio)
w Geschwindigkeit (velocity)
w Massenanteil (mass fraction)
x Stoffmengenanteil, schwere Phase (molar fraction,heavy phase)
y Stoff mengenanteil, leichte Phase (molar fraction,light phase)
z Variable Apparatehöhe, -länge (variable height, length)
a Trennfaktor, relative Flüchtigkeit (Separation factor)
a Wärmeübergangskoeffizient (heat transfer coefficient)
ß Stoffübergangskoeffizient (mass transfer coefficient)
Y Aktivitätskoeffizient (activity coefficient)
6 Schichtdicke (layer thickness)
e Relatives freies Lückenvolumen (Porosität)(relativ free volume)
TI Ausbeute (yield)
Formelzeichen XVII
kmol/h
bar, Pa
bar, Pa
bar, Pa
mbar, Pa
kJ/kg
kJ/(m2-h),W/m2
m
kmol/(m3 • h)
kJ/(kg - K),kJ/(kmol • K)
m
h
h
kJ/kg, kJ/kmol
m/s
m
W/(m2 • K)
m/h
m
XVIII Formelzeichen
r] Dynamische Viskosität (dynamic viscosity) Pa • s
# Temperatur (temperature) °C
H Steigungswinkel (slope angle) °
A Wärmeleitfähigkeit (heat conductivity) W/(m • K)
/i, ß Chemisches Potential (chemical potential) kJ/kg, kJ/kmol
v Kinematische Viskosität (kinematic viscosity) m2/s
Q Dichte (density) kg/m3
a Oberflächen- bzw. Grenzflächenspannung N/m(surface tension)
q) Relative Feuchte (relative humidity) -
Indizes
H Heizdampf (steam)
T Träger (carrier)
V Verlust (loss)
g Gasphase (gas phase)
i, j Komponente (component)
l Flüssigphase (liquid phase)
o Oberhalb (above), Oberfläche (surface)
p Praktisch (effective)
s Festphase (solid phase)
t Theoretisch (theoretical)
u Unterhalb (below)
a Anfang, Eintritt, Start
co Ende
l Grundlagen
1.1 Übersicht über diethermischen Trennverfahren,Prinzipien
In einer verfahrenstechnischen Produktionsan-lage werden Produkte durch chemische undphysikalische Umwandlungen von Rohstoffenund Zwischenprodukten hergestellt. Die Pro-duktionsanlage stellt dabei eine in sich abge-schlossene technische Baueinheit dar, die nurüber Transportwege und Transportleitungenfür Personal, Rohstoffe, Hilfsstoffe, Produk-te, Betriebsmittel und Energien über die An-lagengrenze hinaus mit dem übrigen Betriebverbunden ist. Sie setzt sich, wie Abb. 1-1zeigt, aus der Hauptanlage zur Durchführungdes eigentlichen Produkterzeugungsverfah-rens und verschiedenen Nebenanlagen zusam-men.
Die Hauptanlage besteht aus Anlagenteilenzur Durchführung chemischer Stoffumwand-lungen (unit processes) und physikalischerGrundoperationen (unit operations) wie Tren-nen, Vereinigen, Zerteilen, Formgeben, Wär-meübertragen, Fördern, Lagern, Verpacken.Ihr verfahrensunabhängig allgemein gültigerAufbau ist in Abb. 1-2 dargestellt.
Das Charakteristische einer Anlage zur Er-zeugung eines bestimmten Produkts ist dieproduktbezogene Kombination dieser Anla-genteile. Das Charakteristische eines Verfah-rens zur Erzeugung eines bestimmten Pro-dukts ist die produktbezogene Synthese ausVerfahrenseinheiten.
Bei der chemischen Umwandlung der Roh-stoffe fallen homogene und heterogene Gemi-sche an (Abb. 1-2 und 1-3), die entsprechenddem eingestellten Umsatz der chemischen Re-aktion im allgemeinen alle Reaktionsteilneh-
mer, also Rohstoffe und Reaktionsprodukte,enthalten. Diese Gemische müssen mit Hilfevon Trennverfahren aufbereitet, d.h. in diegewünschten Produkte und die rezirkulierba-ren Rohstoffe mit der jeweils gefordertenReinheit zerlegt werden.
Tab. 1-1 gibt einen Überblick über die Ver-fahren zur physikalischen Trennung homoge-ner (einphasiger) und heterogener (zwei- odermehrphasiger) Gemische. Einteilungsprinzipist dabei die treibende Kraft des Trennvor-gangs.
Homogene Gemische mit molekulardisper-ser Verteilung der einzelnen Gemischkompo-nenten können meist nur mittels thermischerTrennverfahren zerlegt werden.
Thermische Trennverfahren sind Stofftrans-portoperationen, molekulare Triebkraftpro-zesse. Bei ihnen werden Stoffe und meist auchWärme zwischen mindestens zwei Phasenunterschiedlicher Zusammensetzung ausge-tauscht. Diese Phasen sind Gemischphase(n)und selektive Zusatzphase. Die Zusatzphasewird entweder unter Energiezufuhr und/oderunter Zuhilfenahme eines Hilfsstoffs aufge-baut. Über die Zusatzphase werden auch diefür den Stoff- und Wärmetransport notwendi-gen treibenden „Kräfte", Konzentrationsge-fälle und Temperatur gefalle, errichtet.
In Abb. 1-4 sind die thermischen Trennver-fahren aufgelistet und in Tab. 1-2 durch dieam Stoffaustausch beteiligten Phasen gekenn-zeichnet.
Die thermische Trennung von Gemischenläuft in folgenden Einzelschritten ab:• Erster Schritt: zur ursprünglich allein vor-
handenen Gemischphase(n) wird eine Zu-satzphase errichtet. Hierzu muß Energiezugeführt werden oder ein Hilfsstoff zumEinsatz kommen.
Thermische Trenn verfahren: Grundlagen, Auslegung, Apparate, Dritte Auflage. Klaus SattlerCopyright © 2001 WILEY-VCH Verlag GmbH, WeinheimISBN: 3-527-30243-3
l Grundlagen
Betriebsmittel-
Energien-
Rohstoff e-
Hilfsstoffe-
Hauptanlagezur Durchführung des aus physikalischen und chemischen Verfah-renseinheiten bestehenden eigentlichen Verfahrens zur Erzeugungdes gewünschten Produkts,
Nebenanlagen, Hilfseinrichtungen
-zur Regelung und Steuerung der HauptanlageMeßwarte mit ggf. Prozeßrechner .Schaltwarte für die Antriebe,Betriebslaboratorium, Instrumentenluftstation
-zur Versorgung der Hauptanlage mit EnergienErzeugung und Verteilung von elektrischer Energie .Heizsystemefür Wärmeträger wie Heißwasser. Dampf, Diphyl,Salzschmelzen
-zur Bereitstellung von Hilfsstoffenwie Wärmeträger, Kühlmittel, Katalysatoren, Lösungsmittel,Inerten
-zum Lagern der Roh- und H i lfsstoffe.de r Produkte,der Ersatztei-le, der Reparatur- und Wartungsmaterialien
-zum Heranführen der Roh-und Hilfsstoffe und zum Abtransportder Produkte (Fahrstraßen, Gleisanschlüsse .Hafeneinrichtungen)
-zur EntsorgungAbgas-und Abwasserreinigung,Aufarbeitung fester Rückständeund ggf. Deponie nicht verwertbarer Reststoffe
-Einrichtungen für das Betriebspersonal
^ Überschuß -energien
>• Hauptprodukt
> Nebenprodukte»•Sondermüll^ AbgaseAbwasser
Abb. 1-1. Allgemeiner Aufbau einer verfahrenstechnischen Produktionsanlage.
T Betriebsmittelt Energien
HilfsstoffeRohstoffe
-M-
Aufbereitung der Rohstoffe zur Reaktion
z. B. Zerkleinerung. Dosiermischung,Vorwärmung
Reaktion mit Wärme-und Stoffaustausch
Aufbereitung der Reaktionsproduktez. B. Abkühlung «Trennung
Vorbereitung des Hauptproduktes zurLagerung bzw. zum Versand
z.B. Formgebung .Dosierverpackung
Neben-produkte
Lager- und versandfähiges Hauptprodukt
Rohstoff- bzw. Produkt weg
Abb. 1-2. Grundfließbild des Hauptteils einer verfahrenstechnischen Produktionsanlage („Hauptanlage").
1.1 Übersicht über die thermischen Trennverfahren, Prinzipien
4
ReaktionsgemischA ^D l Rohstoff -
>\ E* C
AufbereiteteRohstoffe
[ Überschuß-C J
} Reaktions-- E / Produkte '
Neben- erwünschtesProdukt D i i Produkt E
Abb. 1-3. Reaktionsstufe und Aufbereitungsstufen für eine unvollständig ablaufende Reaktion des Typs
• Zweiter Schritt: zwischen diesen Phasenwerden Stoffe und meist auch Wärme aus-getauscht. Dies geschieht eventuell unterEnergiezu- oder -abfuhr.
• Dritter Schritt: die Phasen werden nach Ab-schluß der Austauschvorgänge getrennt.Mit dieser Phasentrennung ist dann aucheine (teilweise) Gemischtrennung verbun-den.
Dieser Ablauf ist allen thermischen Trenn-verfahren gemeinsam. Es liegt deshalb auf derHand, daß gewisse, allen thermischen Trenn-verfahren gemeinsame Grundsätze, Prinzi-pien, formuliert werden können. Die wichtig-sten hydrodynamischen und thermodynami-schen Prinzipien sollen im folgenden behan-delt werden.
[Rektifikation f Teildestillation'(Gegenstromdestillation) |'Gegenstrom-Kristallisation'aus der SchmelzeiGegenstrom - SublimationiFlüssig-Flüssig-Extraktionlim Gegenstrom
Teitkondensationl Absorption, Extraktion 'i Adsorption l' Kristallisation aus Lösungen l
Trocknung |Sublimation |Desublimation j
AbsorptionAdsorptionKonvektions-trocknungTrägerdampfdestillationExtraktivdestillationExtraktionTrägergassublimation
DestillationTeilkonden-sationKristallisation
Trocknung (außerKonvektionstrocknung)Vakuumsublimation
Abb. 1-4. Übersicht über die thermischen Trennver-fahren.Einteilungsprinzip:
L _ ] Einfache Phasenumwandlungen <->Fraktionierungen
l l Zur Gemischtrennung Hilfsstoff alsZusatzstoff notwendig <-> nicht notwendig
Phasenführung im Gleichstrom(Gleichstrom-Prinzip)
Die am Stoff- und Wärmeaustausch beteilig-ten Phasen werden im Trennapparat imGleichstrom geführt. Die Wirkung des Trenn-apparats kann dabei bestenfalls die einer ein-zigen theoretischen Stufe ausmachen.
Phasenführung im Gegenstrom(Gegenstrom-Prinzip)
Die stoff- und wärmeaustauschenden Phasenwerden im Gegenstrom durch den Trennappa-rat geführt. Dabei kommt es darauf an, diesePhasen an Einbauten des Trennapparats zuzerteilen und intensiv zu vermischen, damitzwischen ihnen für den gewünschten Stoffaus-tausch eine möglichst große Austauschfläche(Phasengrenzfläche) zur Verfügung steht undmöglichst große Stoffübergangskoeffizientenerzielt werden. Abb. 1-5 zeigt eine „Trennko-lonne" mit in Serie geschalteten Stufen, in de-
4 l Grundlagen
Tab. 1-1. Übersicht über die Trennverfahren.
Gruppe derTrennverfahren
Treibende Kraftdes Trennvorgangs
Beschaffenheitdes zu trennendenGemischs
Trennverfahren
Mechanische SchwerkraftTrennverfahren Zentrifugalkraft
Druckkraft
heterogen
Membran-Trennverfahren
DruckkraftElektrische FeldkraftKonzentrationsgefälle
heterogenhomogen
Elektrische Elektrische Feldkraft heterogenTrennverfahren
Magnetische Magnetische Feldkraft homogenTrennverfahren
Thermische Konzentrationsgefälle homogenTrennverfahren Temperaturgefälle
Sortieren (s-s)Schwertrübetrennen (s-1)Flotieren (s-l-g)Sedimentieren (s-1)Filtrieren (s-1)Abpressen (s-1)Zentrifugieren (s-1)Hydrozyklontrennen (s-1)KlassierenSieben (s-s)Windsichten (s-g)Stromklassieren (s-1)
Ultrafiltration (s-1)Umkehrosmose (Hyperfiltration) (s-1)Dialyse (s-1)Elektrodialyse (s-1)Elektrophorese (s-1)Permeation (1-1, g-g)Gasdiffusion (g-g)
Elektroosmose (s-1)Elektrisches Entstauben (s-g)
Magnetsortieren (s-s)
Destillation (1-1)Teilkondensation (g-g)Absorption (g-g), (H)Adsorption (g-g, s-1), (H)Chromatographie (g-g, 1-1),Extraktion (s-s, 1-1), (H)Sublimation (g-g)Kristallisation (s-1,1-1)Trocknung (s-1)Thermodiffusion (g-g, 1-1)
Abkürzungen: s Feststoff, l Flüssigkeit, g Gas zur Kennzeichnung des Aggregatzustands der Komponentendes zu trennenden Gemischs, (H) thermisches Trennverfahren mit Hilfsstoff.
nen die Bezugskomponente i des Gemischsaus der schweren Phase in die leichte Phasewandern soll. Beide Phasen können dabei alleKomponenten des Gemischs enthalten.
Eine Betrachtung von Stufe n zeigt, daß dieschwere Phase mit dem Stoffmengenanteil xn
in Berührung mit der leichten Phase mit dem
Stoffmengenanteil yn_i kommt. Sind xn undyn_i keine Phasengleichgewichtskonzentratio-nen, stehen die der Stufe n zuströmendenPhasen also nicht im Phasengleichgewicht, sokönnen in dieser Stufe Stoff- und Wärme-transportvorgänge ablaufen. Die Bezugskom-ponente / reichert sich voraussetzungsgemäß
l. l Übersicht über die thermischen Trennverfahren, Prinzipien 5
Tab. 1-2. Kennzeichnung der thermischen Trennverfahren durch die am Stoff- und Wärmeaustausch betei-ligten Phasen.
Phase Phase Alle Kompo- Nicht alle Komponenten sind in beiden Phasen enthaltenl 2 nenten sind in
beiden Phasen Phase l rein Phase 2 rein Eine (mehrere) Kompo-enthalten nente(n) ist (sind) in
beiden Phasen enthalten
Berührung g 1nicht misch-barer Phasen
g s
DestillationTeilkonden-sation
Gegenstrom-sublimation
Eindampfenvon Lösungen
-
Gastrocknung AbsorptionDesorption durchStripping
- AdsorptionTrocknung
Flüssig-Flüssig- -Extraktion
Kristallisationaus derSchmelze
Kristallisationaus Lösungen
Fest-Flüssig-Extraktion(Auslaugen)Adsorption
BerührungmischbarerPhasen
Thermodiffusion
Thermodiffusion
Abkürzungen: g Gasphase, l Flüssigphase, s Festphase.
in der leichten Phase bis auf eine Endkonzen-tration yn an, während die schwere Phase an ivon xn auf xn_i verarmt.
Wirkt nun Stufe n als theoretische Stufe, sostehen die sie verlassenden Phasen im Pha-
/n-2
sengleichgewicht; ein weiterer Stoff- und Wär-meaustausch ist insgesamt zwischen ihnennicht mehr möglich. yn und xn_i sind dann Pha-sengleichgewichtskonzentrationen.
Die schwere Phase mit ;cn_i gelangt in Stufen-1 und tritt dort mit der leichten Phase mityn_2 in Austausch, wobei sich Entsprechendeswie in Stufe n abspielt.
Das besprochene Beispiel zeigt folgendes:Bei der Gegenstromführung der Phasen kön-
Abb. l-5.Gegenstromführung zweier Phasen ineinem Trennapparat.«-1, n hintereinander geschaltete Stufen,LP auf strömende leichte Phase,SP abströmende schwere Phase,x Stoffmengenanteil der Bezugskomponente
in der schweren Phase,y Stoff mengenanteil der Bezugskomponente
in der leichten Phase.
l Grundlagen
nen einzelne Stufen in ein- und demselbenTrennapparat hintereinander (in Serie) ge-schaltet werden. Die leichte Phase, die eineStufe verläßt, wird der nächstfolgenden, diedie Stufe verlassende schwere Phase wird dervorgeordneten Stufe zugeführt.
Eine theoretische Stufe ist jener Teil einesTrennapparats, in dem ein Stoff- und Wärme-austausch zwischen zunächst nicht im Gleich-gewicht befindlichen Phasen so stattfindet,daß die ihn verlassenden Phasen im Phasen-gleichgewicht (s. Abschn. 1.4) stehen.
In einer praktischen Stufe ist meist eineGleichgewichtseinstellung nicht zu erreichen.Ihre Trenn Wirksamkeit läßt sich mit jenerder theoretischen Stufe durch einen Stufen-austauschgrad (Austauschverhältnis, Verstär-kungsverhältnis, Murphree efficiency) E ver-gleichen (Abb. 1-5):
E =
E =
Trennwirkung der praktischen Stufe
Trennwirkung der theoretischen Stufe
yn-yn-i (1-1)
Es bedeuten:
yn* - yn-i theoretisch mögliche Anreicherungmit der Bezugskomponente in derleichten Phase (yn* Phasengleichge-wichtskonzentration zu xn_i),
yn-yn-i tatsächlich erfolgte Anreicherungmit der Bezugskomponente in derleichten Phase.
Dabei muß oftmals ein lokales Austauschver-hältnis von einem Gesamtaustauschverhältnisunterschieden werden, je nachdem ob y nurpunktweise oder über den Gesamtquerschnittder Trennkolonne gilt.
Phasenführung im Kreuzstrom(Kreuz- oder Querstrom-Prinzip)
Die stoff- und wärmeaustauschenden Phasenwerden im Kreuz- oder Querstrom durch denTrennapparat geführt, d.h. ihre Phasenströmeschließen einen Winkel von 90° ein.
Je nach Gleichgewichtslage und dem Ver-hältnis der Phasenströme lassen sich in einzel-nen Trennstufen im allgemeinen nur beschei-dene Trennwirkungen erzielen. Soll eine Ge-mischzerlegung zu den fast reinen Komponen-ten führen, so müssen daher mehrere Trenn-stufen in Serie geschaltet werden. Dies ge-schieht am wirkungsvollsten mit Phasenge-genstrom. Phasenkreuzstrom und Parallelzu-führung einer Phase zu den einzelnen Trenn-stufen sind manchmal auch angezeigt, derPhasengleichstrom spielt dagegen kaum eineRolle.
Prinzip des Zeitbedarfs
Der Zeitbedarf für eine Gemischtrennung istfür den diskontinuierlichen Betrieb durch dieeffektive Verweilzeit, für den kontinuierlichenBetrieb durch die mittlere Verweilzeit tm desGemischs im Trennapparat festlegbar:
Hierin bedeuten:
V vom Gemisch erfülltes Volumen des Trenn-apparats (bestimmt über Apparatevolumenund Füllungsgrad),
V Effektivvolumenstrom des Gemischs.
Man unterscheidet je nach Zeitbedarf Kurz-,Mittel- und Langzeittrennverfahren:
Kur zzeittrennv erfahren (tm < 30 s).Beispiele: Zerstäubungstrocknung, Gasad-sorption , Fällungskristallisation .
Mittelzeitverfahren (30 s < tm < 2 h).Beispiele: Absorption, Rektifikation, Walzen-trocknung, Stromtrocknung, Sublimation, Ex-
1.2 Betrieb s formen thermischer Trennverfahren
traktion, Kristallisation, Flüssigkeitsadsorp-tion.
Langzeitverfahren (l h < tm < l d).Beispiele: Trommeltrocknung, Vakuumtau-meltrocknung, Gefriertrocknung, klassieren-de Kristallisation.
Prinzip der Energiezufuhr
Bei der thermischen Trennung von Gemischenist dem Trennapparat Energie zuzuführen,und zwar in Form von• Wärme, im allgemeinen zum Erhöhen der
fühlbaren Wärme der strömenden Massensowie zum Aufbringen der eventuell erfor-derlichen latenten Wärmen;
• Strömungsenergie zum Überwinden derDruckverluste in den Trennapparaten undden verbindenden Rohrsystemen mit ent-sprechenden Rohrteilen;
• Antriebsarbeit für zum Beispiel Dispergier-,Pulsier-, Rühr- und Umpumpeinrichtungen;
• Arbeit zum Betreiben von peripheren Ar-beitsmaschinen wie Verdichtern und Vaku-umpumpen.
1.2 Betriebsformen thermischerTrennverfahren
Apparate zur thermischen Trennung von Ge-mischen können diskontinuierlich (absatzwei-se, im Chargenbetrieb, im Satzbetrieb) undkontinuierlich (stetig, stationär) betriebenwerden.
Im folgenden sollen die beiden Betriebsfor-men kurz erläutert und ihre Vor- und Nachtei-le in Tab. 1-3 zusammengestellt werden.
Kontinuierlicher Betrieb:Beim kontinuierlichen Betrieb wird das zutrennende Gemisch stetig in die Trennvorrich-tung eingebracht, um dort stetig in zwei odermehr Fraktionen zerlegt zu werden, die stetigdie Trennvorrichtung verlassen.
Im kontinuierlichen Betrieb kann ein idea-les Zweistoffgemisch in einer Trennkolonnemit Phasengegenstrom in die beiden nahezureinen Komponenten zerlegt werden. ZurTrennung eines entsprechenden Gemischs mitk Komponenten werden k - l in Serie geschal-tete Kolonnen benötigt.
Tab. 1-3. Vergleich der Betriebsformen kontinuierlich und diskontinuierlich bei der Lösung des gleichenTrennproblems.
Vergleichskriterien Betriebsform
kontinuierlich diskontinuierlich
Mathematische Beschreibung des Trennvorgangs, ModellierungInvestitionskosten der TrennanlageBetriebskosten der TrennanlageBedienbarkeit der TrennanlageAutomatisierung des Trennprozesses
Beanspruchung der AnlagenteileUmweltbelastung, UnfallgefahrBetriebssicherheit, Flexibilität bei Ausfall von Teilen der Trenn-anlage, SicherheitspufferFlexibilität bei Umstellung auf andere zu zerlegende Gemische
einfachergeringergeringereinfachermit geringeremAufwand möglichgeringergeringer
höher
besser
l Grundlagen
Diskontinuierlicher Betrieb:Beim diskontinuierlichen Betrieb wird das zutrennende Gemisch in der Trennvorrichtungvorgelegt und über eine bestimmte „Chargen-zeit" definierten Trennbedingungen unterwor-fen, wobei im allgemeinen zwei Fraktionenunterschiedlicher Zusammensetzung entste-hen. Eine Fraktion wird meist stetig derTrennvorrichtung entnommen, während dieandere als Rest in ihr verbleibt und erst nachAblauf der Chargenzeit aus ihr entfernt wird.
Der diskontinuierliche Betrieb gestattet -einstufig ausgeführt - eine nur unvollständigeGemischzerlegung. Die vorgenannten Frak-tionen werden deshalb meist in Folgestufenseparat weiterbehandelt (Fall der mehrstufi-gen diskontinuierlichen Trennung).
Umschalt- Wechselbetrieb :Folgt in einem Trennapparat auf einen Bela-devorgang (Gemischzerlegung) ein Entlade-vorgang (Regenerieren des Trennhilfsstoffs),so müssen mindestens zwei Trennapparate imUms ehalt-Wechsel betrieben werden, wenn ei-ne stetige Gemischzerlegung gewährleistetwerden soll.
Bei der Adsorption aus der Gasphase (s.Kap. 4) nimmt z. B. festes Adsorbens in einemBehälteradsorber aus einem Gasgemisch Ad-sorptiv bis zur Beladegrenze auf. Ist diese er-reicht, so muß der Adsorber aus dem Belade-zyklus herausgenommen und ein zweiter Ad-sorber zugeschaltet werden. Das Adsorbensim beladenen Adsorber wird durch Dämpfen,
Summe derin das SystemeintretendenMengen(Transport)
Summe der imSystem durchUmwandlunggebildeten Mengen(Umwandlung)
Trocknen und Rückkühlen regeneriert undkann nach Abschluß dieses Regenerierzykluserneut in den Beladezyklus eintreten.
1.3 Stoffbilanz, Energiebilanz,Exergiebilanz
Die verfahrenstechnische Auslegung vonTrennanlagen beginnt im allgemeinen mit ei-ner Bilanzierung der einzelnen Apparate undTeilanlagen bezüglich Stoffströmen und Ener-gien, gekoppelt mit der schematischen Dar-stellung des Verfahrensablaufs in Form vonFließbildern.
1.3.1 Stoff-, Energie- undWärmebilanz
Die Bilanzierung verfahrenstechnischer Sy-steme erfolgt nach dem in Abb. 1-6 verein-facht dargestellten Ablauf Schema.
Von den dort genannten Bilanzgrößen inter-essieren im Anlagenbau besonders Masse,Energie - meist in der speziellen Form vonWärme -, Enthalpie und Exergie zur Planungund Bewertung von Systemen und zu derenAnalyse und Synthese.
Die Erhaltungssätze für Gesamtmasse, Ge-samtenergie und Gesamtimpuls liefern dabeidie Basis zur Erstellung der jeweiligen Bilanz-gleichungen [1.1 bis 1.5, 1.145]. Sie lauten all-gemein für ein offenes System:
Summe deraus dem SystemaustretendenMengen(Transport)
Zunahme derim SystemgespeichertenMengen(Akkumulation)
Je nach Aufgabenstellung und Zweck sind in-tegrale und differentielle Bilanzgleichungen zuerstellen:• differentielle, wenn es darum geht, Vorgän-
ge in einem differentiellen Volumen- oderPhasengrenzflächenelement zu untersuchen,
• und integrale zur Ermittlung der in das Sy-stem ein- und austretenden Ströme.
Differentielle Bilanzgleichungen führen nachLösung des entsprechenden Differentialglei-chungssystems mit Randbedingungen zu Ge-schwindigkeits-, Konzentrations- bzw. Tempe-
Prozeßbeschreibung
Fließbilder
1.3 Stoffbilanz, Energiebilanz, Exergiebilanz
Festlegung des Bilanzraums zur Abgrenzung des zu bilanzierendenSystems gegen seine Umgebung durch eine tatsächlich vorhandeneoder gedachte Bilanzhülle(Anlagenkomplex, Anlage, Teilanlage, Einzelapparat, Apparateteil, Volu-menelement)
Festlegung der Bilanzgröße als zu bilanzierende meß- bzw. bewertbareSystemeigenschaft(Masse als Gesamtmasse, Komponentenmasse, Atommasse;Zustandsgrößen wie Enthalpie, Entropie; Impuls; Kosten)
Aufstellung der Bilanzgleichungen mit dem Ziel, quantitativ ausgegli-chene zusammengefaßte Gegenüberstellungen der interessierendenBilanzgrößen zu gewinnen
Lösung der Bilanzgleichungen
Umweltschutz-, Arbeitsschutz-und Sicherheitsanforderungen
Dimensionierung
Anordnungsplanung
Festlegung der meß- und regel-technischen Einrichtungen
Vorkalkulation undWirtschaftlichkeitsrechnung
Abb. 1-6. Bilanzierung verfahrenstechnischer Systeme (vereinfachter schematischer Ablauf) [1.1].
raturprofilen im System oder dessen Grenzflä-chen; integrale Bilanzgleichungen liefern dieBasis für eine stoffliche und energetische Sy-stem-Gesamtbewertung.
Die Ergebnisse integraler Bilanzierungenwerden häufig tabellarisch oder in Flußdia-grammen verdeutlicht (Produkt- und Energie-schema, Mengen- und Wärmestrombild usw.).
Stoffbilanz
An Stoffbilanzen (Massen-, Mengen-, Materi-albilanzen) sind die allgemeine oder Brutto-Stoffbilanz für die Gesamtmassen oder Ge-samtmengen und die Bilanzen für einzel-ne Gemischkomponenten zu unterscheiden(Abb. 1-7). Mit den Bezeichnungen der Abb.
10 l Grundlagen
™n.a>wn.k.a>hn.a
BR-BH
'l.*.« A«
Abb. 1-7. Bilanzierungsschema zur Ableitung der Bilanzgleichungen.BH Bilanzhülle, BR Bilanzraum.
1-7 für das dort gekennzeichnete offene Sy-stem folgt aus der allgemeinen Bilanzglei-chung die integrale Gesamtmassenbilanz
mQ = ras (1-3)
Betrachtet man den stationären Betrieb (kon-tinuierliche Stoffzu- und -abfuhr ohne Be-rücksichtigung von An- und Abfahrvorgän-gen), so entfallen die AkkumulationsgliedermQ und ms.
Für die Einzelstoffbilanz der Komponentek gilt
mQ, ms, mQ)fc, ms,^ Intensität der im Bilanz-raum vorhandenen Quel-len bzw. Senken insgesamtund bezüglich Komponen-te k.
mQ> k und ms, £ berücksichtigen z.B. die Teil-nahme von k an chemischen Reaktionen.Wird k beispielsweise als Edukt in / Einzelre-aktionen, die simultan im Bilanzraum ablau-fen, verbraucht, so ist im Falle stationären Be-triebs
= V-Mk (1-5)
(1-4)
In den Gl. 1-3 und 1-4 und in Abb. 1-7 bedeu-ten:
*hi, a •> ihi, w zu~ bzw. abströmenderMassenstrom /,
wi, k, a 3 wif k> oj Massenanteil der Kompo-nente k im Zu- bzw. Ab-strom i,
mit
=
V ^
als der Äquivalent-Reaktionsgeschwindigkeitder Reaktion /, mit V als dem von der Reak-tionsmasse erfüllten Teil des Bilanzraumesund Vjt k als der stöchiometrischen Verhältnis-zahl von k in Reaktion j.
Für den Ansatz der Stoffbilanzgleichungenist es häufig zweckmäßig, statt Massen und
