Grundlagen der Verfahrenstechnik

Titel: Grundlagen der Verfahrenstechnik
Autor: Frank
Organisation: TU DRESDEN
Seitenzahl: 68

Inhalt

Skript zur Vorlesung
Grundlagen der Verfahrenstechnik
Autoren Prof DrIng S Ripperger TU Kaiserslautern
DrIng F Babick TU Dresden
Nur zum persönlichen Gebrauch bestimmt
TU Dresden Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik
Technischwirtschaftliche Bedeutung der Verfahrenstechnik
Entwicklung der Verfahrenstechnik
Die Praxis der Verfahrensingenieure
Die Mechanische Verfahrenstechnik
Fachgebiet der VT
Übersicht über die behandelten Stoffsysteme
Rauch Staub Pulver Nebel Tropfenschwarm Suspensionen Emulsionen
Stäube in Abgasen Nebel Partikelschwärme Sedimente Milch
Eigenschaften disperser Systeme und ihre Beschreibung
Grundsätzliches zur Kennzeichnung von dispersen Systemen
Q i f E E E n
mi m Bezugskomponente
o Elimination von mi
kg m kg m
Die Dichte ergibt sich zu
m cV D D cVD fl
Schüttungen Packungen poröse Materialien
Kennzeichnung und Darstellung von Partikelkollektiven Partikelmerkmale Mengenarten
mittlere Teilchengröße im Intervall
Teilmenge im Intervall i Gesamtmenge Intervallbreite
mi m ges xi
Außerdem gilt als Normierungsbedingung
qr x dx Q r x max
Umrechnung von Verteilungen
q qk x i x xi M k
Mittelwerte und Kenngrößen von Verteilungen
x r xminr x qr x dx
x r xn qr x n x n
sr xn x r
Rechnerische Ermittlung der spezifischen Oberfläche
Für n monodisperse Kugeln gilt
SV n x x n x
Allgemein gilt bei gleichförmigen Körpern gleicher Größe
xmin xmax xmin
S Partikel S volumengleiche Kugel
V f M f S SV SV M
Die Punkte der zugehörige Verteilungssumme
qr x qr ln x
erhält man für die Verteilungsdichtefunktion
d ln x qr ln x dx x
xq xr exp q r ln
xST xr exp r ln
x Lageparameter n Streuparamter
Q x x e
mit x xmax xmax Lageparameter m Streuparameter
m x m q x m xmax
Bilanzierung verfahrentechnischer Prozesse Allgemeine Bilanzgleichung
Bilanzraum gedanklich geschlossene Hülle
MSenke MQuelle MBR
Beispiel zur Bilanzierung Reaktorbefüllung
Vzu Vmax Vt
dV Vzu Vab VQuelle VSenke dt
hier VQuelle VSenke
V max V V zu Vab t füll
V zu Vab Vmax V
Bilanzgleichungen für disperse Stoffsysteme
QPi bi j QFj
bzw Q P B Q F
Durchströmung von Haufwerken
K A V D p H
V K D p A H
p V n dP H
A V dP p H
Ein Vergleich der Gleichungen und liefert
durchströmte Querschnittsfläche benetzter Umfang
V ges V A A S v
KD S v
p SV SV v f v H
p v f v H dK dK
Filtration von Flüssigkeiten
Die statische Oberflächenfiltration
A RK RM F
cv V F K h A
Die Höhe des Filterkuchens ergibt sich demnach zu
VF cv V F KS A K A
FVF rK K SVF
sog Filtergerade bei Filtration mit konstanter Druckdifferenz
rK K SVF t RM A
An Partikel angreifende Kräfte
r r FG m g
r r FT m a
r r FZ m a Z
Für eine Kreisbewegung gilt
r r Fp V p V fl g
Strömungswiderstand starrer Partikel
Für die Relativgeschwindigkeit gilt
r r r wR v fl wP
vfl wP Fluidgeschwindigkeit Geschwindigkeit des Körpers
fl L wR fl
Damit kann man auch schreiben
r r FW fl d wR
Widerstandsbeiwerte verschiedener angeströmter Geometrien
Tu Re krit
Stationäre Partikelbewegung auf einer geraden lotrechten Bahn
r r r FG FA FW
Für kugelförmige Partikel erhält man
Der Betrag der Relativgeschwindigkeit ergibt sich zu
r d g P fl wR cW fl
g P fl d
g P fl fl d
Koeffizienten der Gleichung zur Bestimmung des cWWertes
Absetzverhalten von Partikelschwärmen
wR wSS v fl
wSS wS cV
Partikelabscheidung im Schwerkraftfeld
Bemessung von längsdurchströmten Sedimentationsbecken
V Leff v V f
Man erhält daraus
B H eff Leff H eff V wS
Räumvorrichtung vf wS Ablauf
Leff Funktionsweise eines Längsbeckens
v f dh V H B
Prinzip der geneigten Flächen
Schrägklärer im Gegenstromprinzip
L s tS v cos wS cos
V V AQ B n s
Amin B L n min

Vorschau

Technische Universität Dresden Institut für Verfahrenstechnik und Umwelttechnik Arbeitsgruppe Mechanische Verfahrenstechnik

Skript zur Vorlesung

Grundlagen der Verfahrenstechnik 1

(Autoren: Prof. Dr.-Ing. S. Ripperger, TU Kaiserslautern

Dr.-Ing. F. Babick, TU Dresden)

Teilgebiet:

Mechanische Verfahrenstechnik

(Themen: Einordnung der Mechanischen Verfahrenstechnik, Kennzeichnung disperser Systeme, Filtration und Sedimentation)

Nur zum persönlichen Gebrauch bestimmt!

Ausgabe WS 2005/2006

Postanschrift: Technische Universität Dresden Institut für Verfahrenstechnik u. Umwelttechnik Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik 01062 Dresden Tel.: (0351) 463 35182 Fax: (0351) 463 37058 email: mechanvt@rcs.urz.tu-dresden.de url: www.mvt-tu-dresden.de Besucheradresse: Georg-Schumann-Bau Münchner Platz 3 Flügel A, i. 208

TU Dresden, Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik

1 Inhaltsverzeichnis

0 Die Verfahrenstechnik………………………………………………………………………………………….. 2 0.1 Einordnung der Verfahrenstechnik in die Lehr- und Forschungsgebiete der Ingenieurwissenschaften …………………………………………………………………………………………. 2 0.2 Technisch-wirtschaftliche Bedeutung der Verfahrenstechnik ………………………………. 4 0.3 Entwicklung der Verfahrenstechnik………………………………………………………………….. 6 0.4 Die Praxis der Verfahrensingenieure ……………………………………………………………… 11 Die Mechanische Verfahrenstechnik…………………………………………………………………….. 12 1.1 Einordnung der Mechanischen Verfahrenstechnik in das Lehr- und Forschungsgebiet der Verfahrenstechnik……………………………………………………………………………………………. 12 1.2 Übersicht über die behandelten Stoffsysteme …………………………………………………. 14 1.3 Literatur……………………………………………………………………………………………………… 16 Eigenschaften disperser Systeme und ihre Beschreibung……………………………………….. 17 2.1 Grundsätzliches zur Kennzeichnung von dispersen Systemen ………………………….. 17 2.2 Konzentrationsangaben ……………………………………………………………………………….. 19 2.3 Mittlere Dichte …………………………………………………………………………………………….. 21 2.4 Schüttungen, Packungen, poröse Materialien …………………………………………………. 22 2.5 Kennzeichnung und Darstellung von Partikelkollektiven …………………………………… 25 2.5.1 Partikelmerkmale – Mengenarten…………………………………………………………….. 25 2.5.2 Umrechnung von Verteilungen ……………………………………………………………….. 29 2.5.3 Mittelwerte und Kenngrößen von Verteilungen………………………………………….. 31 2.5.4 Rechnerische Ermittlung der spezifischen Oberfläche ……………………………….. 32 2.5.5 Empirische Verteilungsfunktionen …………………………………………………………… 34 2.6 Bilanzierung verfahrentechnischer Prozesse…………………………………………………… 39 2.6.1 Allgemeine Bilanzgleichung……………………………………………………………………. 39 2.6.2 Bilanzgleichungen für disperse Stoffsysteme ……………………………………………. 40 Durchströmung von Haufwerken………………………………………………………………………….. 41 Filtration von Flüssigkeiten………………………………………………………………………………….. 45 4.1 Übersicht……………………………………………………………………………………………………. 45 4.2 Die statische Oberflächenfiltration …………………………………………………………………. 46 Die Sedimentation……………………………………………………………………………………………… 49 5.1 An Partikel angreifende Kräfte ………………………………………………………………………. 49 5.2 Strömungswiderstand starrer Partikel …………………………………………………………….. 51 5.3 Stationäre Partikelbewegung auf einer geraden lotrechten Bahn……………………….. 56 5.4 Absetzverhalten von Partikelschwärmen ………………………………………………………… 59 Partikelabscheidung im Schwerkraftfeld ……………………………………………………………….. 63 6.1 Grundlagen ………………………………………………………………………………………………… 63 6.2 Bemessung von längsdurchströmten Sedimentationsbecken ……………………………. 64 6.3 Prinzip der geneigten Flächen ………………………………………………………………………. 65

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6 skript_gvt1_okt05

04.10.2005

TU Dresden, Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik

0.1 Die Verfahrenstechnik

Einordnung der Verfahrenstechnik in die Lehr- und Forschungsgebiete der Ingenieurwissenschaften

Bei technischen Prozessstufen werden Eingangsgrößen in Ausgangsgrößen umgewandelt. Je nachdem, ob es sich dabei vorwiegend um Stoffe, Energie oder Informationen handelt, können die einzelnen Prozesse Fachgebieten zugeordnet werden (Tabelle 0.1.1). Tabelle 0.1.1: Fachgebiet Fertigungstechnik (Verarbeitungstechnik) Verfahrenstechnik Energietechnik Informatik (Kybernetik) Klassifizierung ausgewählter Ingenieurwissenschaften Technischer Prozess Änderung der geometrischen Form von Werkstoffen und Materialien Änderung der Art, Eigenschaft und/oder usammensetzung von Stoffen Umwandlung der Energieform Verarbeitung (Übermittlung) von Informationen

Die Verfahrenstechnik ist demnach die ingenieurwissenschaftliche Disziplin, die sich mit den technischen Prozessen befasst, in denen Stoffe verändert werden. Die Stoffe liegen meist als Stoffgemisch vor. Dabei kann es sich z. B. um organische oder anorganische Rohstoffe, Baustoffe, Lebensmittel, Abfallstoffe, Wasser oder Luft handeln. Der Begriff Stoff wird in der Verfahrenstechnik umfassend verwendet. Die Veränderung der Stoffe kann sich auf die Art, die Eigenschaften oder die usammensetzung des Stoffgemisches beziehen. iel der Veränderung ist, nützliche Stoffe mit gewünschten Eigenschaften zu erzeugen (Produktionstechnik) oder schädliche Stoffe in unschädliche umzuwandeln (Umweltschutztechnik). Die Art eines Stoffes kann durch eine chemische oder biochemische Stoffwandlung, wie z. B. eine Oxidation, Polymerisation oder Gärung, erfolgen. Eine Änderung der Stoffeigenschaft liegt z. B. vor, wenn ein Stoff in einen anderen Aggregatzustand übergeht (z. B. Wasser in Wasserdampf). Feststoffe weisen im zerkleinerten ustand (feingemahlenen ustand) andere Eigenschaften auf als im ustand grober Partikel. Durch Stofftrennverfahren (z. B. Filtrieren, Destillieren) bzw. durch ein Vermischen kann die Änderung der Stoffzusammensetzung erreicht werden. Die oben aufgeführten Beispiele einer Stoffänderung zeigen bereits, dass innerhalb der Verfahrenstechnik verschiedene Methoden genutzt werden. Hieraus kann eine grobe Gliederung abgeleitet werden, die sich insbesondere in der Lehre bis heute erhalten hat. Stoffe können durch mechanische Einwirkungen, thermische Vorgänge sowie chemische, elektrochemische und biochemische Stoffumwandlungen verändert werden. Entsprechend kann eine Einteilung in eine Mechanische, Thermische und Chemische Verfahrenstechnik erfolgen. Die ingenieurmäßigen Belange der Biotechnologie werden innerhalb der Bioverfahrenstechnik behandelt.