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Karl Schwister, Volker Leven
Verfahrenstechnik für Ingenieure
Ein Lehr- und Übungsbuch
Vorwort
7
Inhalt
9
1. Physikalische Größen und Einheitensysteme
16
1.1 Größen und Größenarten
16
1.2 Größen- und Zahlenwertgleichungen
18
1.3 Zustandsgrößen und Prozessgrößen
19
1.4 Zustandsfunktionen
20
1.5 Gehalts- und Konzentrationsangaben
21
1.5.1 Massenanteil
22
1.5.2 Stoffmengenanteil
22
1.5.3 Volumenanteil
23
1.5.4 Massenkonzentration
23
1.5.5 Stoffmengenkonzentration
23
1.5.6 Volumenkonzentration
23
1.5.7 Molalität
24
1.5.8 Aktivität
24
1.6 Umrechnungen und Mischungsrechnung
24
2. Statistische Grundlagen
27
2.1 Fehlerarten
27
2.1.1 Grobe Abweichung von Messwerten
27
2.1.2 Systematische Abweichung von Messwerten
27
2.1.3 Zufällige Abweichung von Messwerten
28
2.2 Darstellung von Messreihen
28
2.3 Erfassung der Messwertabweichung
31
2.3.1 Normalverteilung nach Gauß
32
2.3.2 Standardabweichung
32
2.3.3 Vertrauensbereich
33
2.4 Fehlerfortpflanzung
34
2.4.1 Methode der oberen und unteren Grenze
34
2.4.2 Gausssche Fehlerfortpflanzung
35
2.4.3 Lineare Fehlerfortpflanzung
35
2.5 Grafische Auswertung von Messdaten
36
2.5.1 Lineare und nichtlineare Skalen
36
2.5.2 Anfertigung einer grafischen Darstellung
37
2.5.3 Grafische Auswertung linearer Zusammenhänge
38
3. Aggregatzustände und Phasenlehre
40
3.1 Gasförmiger Zustand
40
3.1.1 Ideales Gas
40
3.1.2 Gasgemische
42
3.1.3 Reale Gase
44
3.2 Flüssiger Zustand
47
3.2.1 Dichte und Volumenausdehnung
47
3.2.2 Viskosität von Flüssigkeiten
49
3.2.3 Oberflächenspannung
50
3.3 Fester Zustand
51
3.3.1 Kristallgitter und Kristallsysteme
51
3.3.2 Methoden zur Ermittlung der Festkörperstruktur
53
3.4 Phasenumwandlung von Reinstoffen
54
3.4.1 Druck-Temperatur-Phasendiagramm
54
3.4.2 Clausius-Clapeyron-Gleichung
56
3.4.3 Regel von Trouton
57
3.5 Binäre Phasengleichgewichte
57
3.6 Ternäre Phasengleichgewichte
61
3.7 Verdünnte Lösungen
62
3.7.1 Kolligative Eigenschaften
62
3.7.2 Löslichkeit
64
4. Strömungstechnische Grundbegriffe
67
4.1 Allgemeine Grundlagen
67
4.2 Kontinuitätsgleichung
68
4.3 Strömung ohne Reibung
69
4.3.1 Gleichung von Bernoulli
69
4.3.2 Gleichung von Torricelli
71
4.4 Strömung mit Reibung
72
4.4.1 Viskosität
72
4.4.2 Widerstandsbeiwert
73
4.5 Rohrströmung mit Reibung
74
4.5.1 Laminare Strömung
74
4.5.2 Turbulente Strömung
75
4.5.3 Druckverlust in Rohrleitungen
75
4.5.4 Druckverlust in Formstücken und Armaturen
77
5. Produktionstechnische Grundbegriffe
78
5.1 Verfahrensentwicklung
78
5.2 Verfahrensinformationen
79
5.3 Fließschemata von Anlagen
80
5.3.1 Grundfließschema
81
5.3.2 Verfahrensfließschema
81
5.3.3 Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema
82
5.3.4 Mess- und Regelschema
84
5.4 Stoffdaten und Verfahrensablauf
84
5.4.1 Stoffdaten
84
5.4.2 Sicherheitstechnische Daten
85
5.4.3 Toxikologische Daten
86
5.5 Scale-up-Probleme
86
6. Grundlagen der Reaktionstechnik
90
6.1 Einführung und Grundbegriffe
90
6.1.1 Klassifizierung chemischer Reaktionen
90
6.1.2 Beurteilungsgrößen und Definitionen
91
6.2 Chemische Thermodynamik
94
6.2.1 Systeme und Zustandsgrößen
94
6.2.2 Erster Hauptsatz
94
6.2.3 Standardenthalpien
95
6.2.4 Zweiter Hauptsatz
96
6.2.5 Chemisches Gleichgewicht
98
6.3 Stoff- und Wärmebilanzen
100
6.3.1 Transportprozesse
101
6.3.2 Erhaltungssätze
102
7. Kinetik chemischer Reaktionen
104
7.1 Reaktionsgeschwindigkeit
104
7.2 Gesetze der Reaktionskinetik
105
7.2.1 Differenzialgleichungen
106
7.2.2 Reaktionen nullter Ordnung
107
7.2.3 Reaktionen erster Ordnung
107
7.2.4 Reaktionen zweiter Ordnung
109
7.2.5 Reaktionen dritter Ordnung
110
7.2.6 Molekularität einer Reaktion
111
7.3 Bestimmung von Reaktionsordnungen
111
7.3.1 Differenzialmethode
112
7.3.2 Methode der Anfangsgeschwindigkeiten
112
7.3.3 Integrationsmethode
113
7.3.4 Halbwertszeitmethode
113
7.3.5 Konzentrationsabhängige Messgrößen
113
7.3.6 Experimentelle Bestimmungsmethoden
114
7.4 Kinetik komplexer Reaktionen
115
7.4.1 Gleichgewichtsreaktionen
116
7.4.2 Parallelreaktionen
117
7.4.3 Folgereaktionen
118
7.5 Theorie der Reaktionsgeschwindigkeit
119
7.5.1 Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit
120
7.5.2 Theorie des aktivierten Komplexes
122
8. Aktivierung von Reaktionen und Katalyse
124
8.1 Aktivierung von Reaktionsprozessen
125
8.1.1 Thermische Aktivierung
125
8.1.2 Katalytische Aktivierung
126
8.1.3 Aktivierung durch Initiatorzerfall
128
8.1.4 Biokatalytische Aktivierung
128
8.1.5 Fotochemische Aktivierung
130
8.2 Homogene und heterogene Systeme
130
8.3 Heterogene Katalyse
130
8.3.1 Heterogene Reaktionen mit Feststoffen
130
8.3.2 Heterogene Reaktionen mit Fluiden
136
8.3.3 Reaktionsablauf
137
8.4 Homogene Katalyse
138
8.4.1 Einphasige Reaktionssysteme
139
8.4.2 Säure- und Basenkatalyse
140
8.4.3 Enzymkatalytische Reaktionen
142
8.4.4 Reversible Hemmung von Enzymen
145
9. Ideale Reaktoren
148
9.1 Klassifizierung von Reaktoren
148
9.1.1 Allgemeine Betriebsformen
148
9.1.2 Vermischung im Reaktor
149
9.1.3 Wärmetechnische Betriebsformen
150
9.1.4 Grundtypen chemischer Reaktoren
152
9.1.5 Stoff- und Wärmebilanzen
153
9.2 Diskontinuierlich betriebener Rührkessel
154
9.2.1 Isotherm betriebener Rührkessel
155
9.2.2 Adiabat betriebener Rührkessel
156
9.2.3 Polytrop betriebener Rührkessel
157
9.3 Kontinuierliche Betriebsführung ohne Rückvermischung der Reaktionsmasse
158
9.4 Kontinuierliche Betriebsführung mit Rückvermischung der Reaktionsmasse
161
9.5 Rührkesselkaskade
163
9.5.1 Gestaltung und stoffliche Bilanzierung
164
9.5.2 Berechnung von Rührkesselkaskaden
165
9.6 Vergleichende Betrachtung der Reaktoren
167
10. Reale Reaktoren und Verweilzeitverteilungen
170
10.1 Abweichungen vom idealen Verhalten
170
10.2 Verweilzeituntersuchungen zur Charakterisierung des Vermischungsverhaltens
171
10.2.1 Verweilzeitspektrum und Verweilzeit-Summenfunktion
172
10.2.2 Messung der Verweilzeitverteilungen
173
10.3 Berechnung und Auswertung von Verweilzeitverteilungen
174
10.3.1 Idealer kontinuierlicher Rührreaktor
174
10.3.2 Kaskade von kontinuierlich betriebenen idealen Rührreaktoren
175
10.3.3 Laminar durchströmter Rohrreaktor
176
10.4 Reaktoren mit realem Verhalten
177
10.4.1 Dispersionsmodell
177
10.4.2 Kaskadenmodell
180
10.4.3 Berechnungsbeispiele
181
11. Charakterisierung von Partikeln und dispersen Systemen
186
11.1 Grundlagen
186
11.2 Partikelgrößen und Merkmale
187
11.3 Kenngrößen einer Verteilung
189
11.3.1 Verteilungssumme
189
11.3.2 Verteilungsdichte
190
11.4 Verteilungsgesetze
192
11.4.1 Potenzverteilung nach Gates-Gaudin-Schumann
192
11.4.2 Gausssche Normalverteilungsfunktion
193
11.4.3 Logarithmische Normalverteilung
193
11.4.4 RRSB-Verteilung
194
11.4.5 Vergleich der Verteilungen
11.4.5 Vergleich der Verteilungen
195
195
11.5 Messen einer Partikelgrößenverteilung
196
12. Zerteilung von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen
199
12.1 Grundlagen
199
12.2 Zerkleinerung
199
12.2.1 Näherungsformeln
201
12.2.2 Zerkleinerungsgrad
202
12.2.3 Bruchvorgang
202
12.2.4 Zerkleinerungsmaschinen
203
12.3 Flüssigkeitszerteilung
205
12.3.1 Berieselung
205
12.3.2 Zerstäubung
205
12.3.3 Zerspritzung
209
12.4 Begasung
209
13. Trennen disperser Systeme
212
13.1 Grundlagen
212
13.2 Absetzprozesse
212
13.2.1 Sedimenter
216
13.2.2 Trennschärfe und Abscheidegrad
218
13.2.3 Zentrifuge
220
13.2.4 Zyklone
225
13.2.5 Koagulation und Flokkulation
227
13.2.6 Flotation
228
13.3 Filtrationsprozesse
229
13.3.1 Kuchenfiltration
229
13.3.2 Querstromfiltration
234
13.3.3 Tiefenfiltration
236
14. Mischen
238
14.1 Grundlagen
238
14.2 Mischen von Feststoffen
240
14.3 Statisches Mischen von Fluiden
243
14.4 Dynamisches Mischen von Flüssigkeiten
244
14.4.1 Laminarer Bereich
248
14.4.2 Turbulenter Bereich
248
14.4.3 Übergangsbereich
249
14.4.4 Rühren von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten
250
14.4.5 Scale-up Maßstabsübertragung
250
14.4.6 Weitere Anwendungsgebiete
251
15.
15.
254
254
15.1 Grundlagen
254
15.2 Einteilung der Agglomeration
255
15.2.1 Aufbauagglomeration (Pelletieren)
255
15.2.2 Pressagglomeration (Formpressen)
257
16. Transport von Stoffen
260
16.1 Arten der Förderung
260
16.2 Transport von Flüssigkeiten
260
16.2.1 Verdrängungspumpen
261
16.2.2 Zentrifugalpumpen
262
16.2.3 Strahlpumpen
263
16.2.4 Berechnungen
264
16.3 Transport von Gasen
268
16.3.1 Lüfter und Gebläse
268
16.3.2 Verdichter
271
16.4 Feststoffförderung
273
16.4.1 Gurt-, Gliederbandförderer und Becherwerke
273
16.4.2 Schnecken- und Spiralförderer
274
16.4.3 Pneumatische Förderung
275
17. Verdampfen und Kondensieren
280
17.1 Grundlagen
280
17.1.1 Dampf
282
17.1.2 Wärmeübertragung
283
17.1.3 Wärmeaustauscher
285
17.2 Verdampfen und Eindampfen
286
18. Kristallisation
290
18.1 Grundlagen
290
18.2 Berechnungen zur Kristallisation
291
18.3 Technische Anwendung
293
19. Trocknen
295
19.1 Grundlagen
295
19.2 Trocknungsarten und Trocknungskurven
299
19.3 Bauarten von Trocknern
301
20. Destillation und
20. Destillation und
302
302
20.1 Grundlagen
302
20.1.1 Ideales Zweistoffgemisch
302
20.1.2 Reales Zweistoffgemisch
308
20.1.3 Mischungslücken
310
20.2 Destillation
312
20.2.1 Absatzweise (einfache) Destillation
312
20.2.2 Fraktionierte Destillation
316
20.2.3 Kontinuierliche Destillation
317
20.2.4 Trägerdampfdestillation
318
20.2.5 Vakuumdestillation
319
20.3 Rektifikation
319
20.3.1 Grundlagen der Rektifikation
320
20.3.2 Bilanzen an einer Rektifikationskolonne
323
20.3.3 Wärmebedarf und Heizleistung
334
20.3.4 Füllkörper- und Packungskolonnen
334
20.3.5 Rektifikationsverfahren
336
21. Sorption
341
21.1 Absorption
341
21.1.1 Grundlagen der Absorption
341
21.1.2 Bilanzierung und Berechnung
346
21.1.3 NTU/HTU-Konzept für die Absorption
352
21.1.4 Kenngrößen eines Absorbers
356
21.1.5 Wärmebilanz bei der Absorption
357
21.1.6 Anwendung der Absorption
359
21.2 Adsorption
361
21.2.1 Grundlagen der Adsorption
361
21.2.2 Adsorptionsmittel
363
21.2.3 Beispiele einiger Adsorptionsmittel
364
21.2.4 Mechanismen der Adsorption
366
21.2.5 Bilanzierung von Adsorbern
373
21.2.6 Wärmebilanz an einem Festbettadsorber
376
21.2.7 Technische Anwendungen und Bauformen
378
Sachwortzverzeichnis
380
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