Mechanische Verfahrenstechnik E-Book

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 352

Veröffentlichungsjahr: 2012

Beschreibung

Auf dem neuesten Stand - die Mechanische Verfahrenstechnik. Die Gliederung des Buches: - Charakterisierung disperser Systeme, - Feststoff/ Fluid-Strömungen, - Mechanische Trennverfahren, - Zerkleinern, - Agglomerieren, - Mischen, - Lagern von Schüttgütern, - Hydraulischer und pneumatischer Transport, - Moderne Behandlung und Betrachtung der wichtigsten Gebiete der Partikeltechnik. Die Besonderheit dieses Fachgebietes liegt darin, dass in fast allen Verfahren der stoffwandelnden Industrie mechanische Prozesse mit Partikelsystemen eine herausragende Rolle spielen. Und dies bei einer außergewöhnlichen Heterogenität der Stoffsysteme und Partikelgrößen, die acht Zehnerpotenzen umfassen. In Anbetracht der Komplexität und Spannbreite des Gebietes finden Praktiker in der Industrie, Studenten und Dozenten der Technischen Chemie, der Verfahrenstechnik und des Chemieingenieurwesens in dieser Auskoppelung aus Winnacker-Küchler, Band 1 (Wiley-VCH, 2004), eine kompetente Einführung aus der Feder von Experten.

Leseprobe

Inhalt

Häutzte Formelzeichen

Herausgeber und Autoren

Vorwort

1 Einführung

2 Charakterisierung disperser Systeme

2.1 Eigenschaften disperser Systeme

2.2 Messmethoden für Partikeleigenschaften und ihre physikalischen Grundlagen

2.3 Messmethoden für veränderliche Zustände

2.4 Qualitätssicherung beim Einsatz von Messmethoden

2.5 Ausblick

3 Feststoff/Fluid-Strömungen

3.1 Bewegungen von Feststoffpartikeln in strömenden Fluiden

3.2 Strömung durch Packungen und Wirbelschichten

4 Mechanische Trennverfahren

4.1 Kennzeichnung einer Trennung

4.2 Abscheiden von Partikeln aus Gasen

4.3 Klassieren in Gasen

4.4 Abscheiden von Feststoffen aus Flüssigkeiten

5 Zerkleinern

5.1 Grundlagen

5.2 Zerkleinerungsmaschinen

5.3 Modellierung der Zerkleinerungskinetik

6 Agglomerieren

6.1 Physikalische Grundlagen der Agglomeration – Wechselwirkungskräfte

6.2 Grundverfahren des Agglomerierens

6.3 Eigenschaften von Agglomeraten

7 Mischen

7.1 Ablauf von Mischvorgängen

7.2 Mischgüte

7.3 Rühren [7.5], [7.6]

7.4 Mischen in Rohrleitungen

7.5 Mischen von Massen, Teigen und Schmelzen

7.6 Mechanismen des Pulvermischens

8 Lagern von Schüttgütern

8.1 Fließverhalten von Schüttgütern

8.2 Dimensionierung von Silos

9 Hydraulischer und pneumatischer Transport

9.1 Hydraulischer Transport

9.2 Pneumatischer Transport

10 Literatur

Stichwortverzeichnis

Weitere empfehlenswerte Bücher:

Schubert, H. (Hrsg.)

Handbuch der Mechanischen Verfahrenstechnik

2 Bände

2003

ISBN 3-527-30577-7

Kaye, B.H.

Characterization of Powders and Aerosols

1999

ISBN 3-527-288 53-8

Zlokarnik, M.

Stirring

2001

ISBN 3-527-29996-3

Kraume, M. (Hrsg.)

Mischen und Rühren

Grundlagen und moderne Verfahren

2003

ISBN 3-527-30709-5

Pietsch, W.

Agglomeration Processes

Phenomena,Technologies, Equipment

2002

ISBN 3-527-30369-3

Schmidt, P., Körber, R., Coppers, M.

Sieben und Siebmaschinen

Grundlagen und Anwendung

2003

ISBN 3-527-30207-7

Prof. Dr.-Ing. Matthias Bohnet

TU Braunschweig

Institut für Chemische und Technische

Verfahrenstechnik

Langer Kamp 7

38106 Braunschweig

1. Auflage 2004

1. Nachdruck 2007

Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Herausgeber, Autoren und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler keine Haftung.

BibliografischeInformation der deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar.

© 2004 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, daß diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind.

All rights reserved (including those of translation into other languages). No part of this book may be reproduced in any form – by photoprinting, microfilm, or any other means – nor transmitted or translated into a machine language without written permission from the publishers. Registered names, trademarks, etc. used in this book, even when not specifically marked as such, are not to be considered unprotected by law.

ISBN 978-3-527-31099-9

Titelbild Partikel in dispersen Systemen (Institut für Verfahrenstechnik der Bundesanstalt für Ernährung, Karlsruhe, W.E.L. Spieß, S. Min)

Print ISBN 9783527310999

Epdf ISBN 978-3-527-66359-0

Epub ISBN 978-3-527-66358-3

Mobi ISBN 978-3-527-66357-6

Häutzte Formelzeichen

Vektorielle Größen, Tensoren und Matrizen sind im Druck halbfett gekennzeichnet.

Herausgeber und Autoren

Herausgeber

Prof. Dr.-Ing. Matthias Bohnet

TU Braunschweig

Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik

Langer Kamp 7

38106 Braunschweig

Autoren

Dr.-Ing. Harald Anlauf

Universität Karlsruhe

Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik

Am Forum 8, Geb. 30.70

76131 Karlsruhe

(Kapitel 4.4)

Prof. Dr.-Ing. Matthias Bohnet

TU Braunschweig

Institut für Chemische und Thermische

Verfahrenstechnik

Langer Kamp 7

38106 Braunschweig

(Kapitel 1, 4.23, und 4.24)

Dr.-Ing. Stefan Hogekamp

Universität Karlsruhe

Institut für Lebensmittelverfahrenstechnik

76128 Karlsruhe

(Kapitel 6)

Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h.

Kurt Leschonski †

ehemals TU Clausthal

Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik

Adolph-Roemer-Str. 2A

38678 Clausthal-Zellerfeld

(Kapitel 4.1)

Prof. Dr.-Ing. Friedrich Löffler †

ehemals Universität Karlsruhe

Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik

Kaiserstr. 12

76131 Karlsruhe

(Kapitel 4.21 und 4.22)

Prof. Dr. Otto Molerus

Universität Erlangen-Nürnberg

Lehrstuhl für Feststoff- und Grenzflächenverfahrenstechnik

Cauerstr. 4

91058 Erlangen

(Kapitel 3.2 und 9)

Prof. Dr. Reinhard Polke (ehemals BASF Aktiengesellschaft)

Alemannenstr. 9

67112 Mutterstadt

(Kapitel 2)

Dr.-Ing. Jürgen Raasch

Am Kirchberg 43

76229 Karlsruhe

(Kapitel 3.1)

PD Dr.-Ing. habil. Bernd Sachweh

BASF Aktiengesellschaft

GCT/R

L 540

67056 Ludwigshafen

(Kapitel 2)

Prof. Dr.-Ing. habil. Eberhard Schmidt

Bergische Universität

Gesamthochschule Wuppertal

Fachbereich 14

Sicherheitstechnik/Umweltschutz

Rainer-Gruenter-Str.

42097 Wuppertal

(Kapitel 4.25, 4.26 und 4.3)

Prof. Dr.-Ing. Klaus Schönert (ehemals TU Clausthal)

Tannenhöhe 4

38678 Clausthal-Zellerfeld

(Kapitel 5)

Prof. Dr.-Ing. habil. Helmar Schubert

Universität Karlsruhe

Institut für Lebensmittelverfahrenstechnik

76128 Karlsruhe

(Kapitel 6)

Prof. Dr.-Ing. Jörg Schwedes

TU Braunschweig

Institut für Mechanische Verfahrenstechnik

Volkmaroder Str. 4/5

38104 Braunschweig

(Kapitel 8)

Prof. Dr.-Ing. Karl Sommer

TU München

Lehrstuhl für Maschinen- und

Apparatekunde

85350 Freising-Weihenstephan

(Kapitel 7)

Vorwort

Die mechanischen Prozesse der stoffwandelnden Industrie zeichnen sich durch eine außergewöhnliche Vielfalt und Komplexität aus. Dies liegt daran, dass man es immer mit dispersen Systemen zu tun hat, bei denen schon die Charakterisierung der beteiligten festen Partikeln ein erhebliches Problem darstellt. Darüber hinaus sind an fast allen Prozessen mehrphasige Strömungen beteiligt, in denen feste Par­tikeln in Gasen oder Flüssigkeiten bewegt werden.

Die physikalische Beschreibung disperser Systeme hat in den letzten Jahren er­hebliche Fortschritte gemacht. Hierzu hat die Entwicklung neuer Messverfahren wesentlich beigetragen. Diese ermöglichen es heute, Partikelsysteme, ihre mechani­sche Beanspruchung sowie Mehrphasenströmungen sehr genau zu untersuchen und dadurch einen besseren Einblick in die komplizierten Vorgänge zu gewinnen. Neue Methoden der numerischen Simulation der Partikelbewegung zeigen erfolg­versprechende Wege auf, wie man dieses Werkzeug in Zukunft noch besser für die Analyse disperser Systeme nutzen kann. Trotzdem bleibt festzustellen, dass für die Auslegung verfahrenstechnischer Prozesse, in vielen Fällen, immer noch das Expe­riment unverzichtbar ist.

Die Autoren dieses Buches haben ihre wissenschaftliche Kompetenz und ihre in­dustrielle Erfahrung in die Behandlung der unterschiedlichsten Prozesse der me­chanischen Verfahrenstechnik eingebracht. Diese Einführung wird dem Leser schnell und zielgerichtet bei seiner Problemlösung helfen. Für diejenigen, die tiefer in die Materie eindringen möchten, werden die vielen Literaturhinweise nützlich sein.

Dem Verlag Wiley-VCH ist dafür zu danken, dass er dieses Buch herausgebracht hat. Es wird den in der Industrie Tätigen und den Studierenden den Zugang zu die­sem faszinierenden Gebiet der Verfahrenstechnik erleichtern.

Braunschweig, November 2003

M. Bohnet

1

Einführung

Die Verfahrenstechnik befasst sich mit der industriellen Umwandlung von Ausgangsstoffen in einer Folge physikalischer, chemischer oder biologischer Prozesse zu verkaufsfähigen Zwischen- oder Endprodukten. Um Stoffe wandeln zu können, ist Energie in Form von Wärme oder mechanischer Energie erforderlich. Darüber hinaus nutzt man die Möglichkeit der chemischen Umwandlung sowie die Fähigkeit von Mikroorganismen, Stoffe zu wandeln.

Alle verfahrenstechnischen Prozesse lassen sich in Grundoperationen (unit operations) zerlegen. Dies hat zunächst den Vorteil, dass man die Gesetzmäßigkeiten der stoffwandelnden Vorgänge losgelöst von einem bestimmten Stoffsystem behandeln kann. Die Zusammenfügung der Einzelschritte zum Prozess ist Aufgabe der Systemverfahrenstechnik, die insbesondere die dynamische Aufeinanderfolge der Teilschritte umzusetzen hat. Hier finden sich dann wichtige Verknüpfungen mit der Mess-, Regel- und Automatisierungstechnik.

Die mechanische Verfahrenstechnik umfasst insbesondere Trennverfahren zwischen Feststoffen und Fluiden (Abschnitt 4), Mischvorgänge (Abschnitt 7), Zerkleinerungs- und Agglomerationsprozesse (Abschnitte 5 und 6), die Schüttguttechnik (Abschnitt 8) und den Transport von Feststoffen (Abschnitt 9). Für die Charakterisierung und Bewertung dieser Verfahrensschritte spielt die Partikelgrößenanalyse (Abschnitt 2.2) eine herausragende Rolle. Da in der mechanischen Verfahrenstechnik an fast allen Prozessen – bei nur wenigen Ausnahmen – feste Partikeln beteiligt sind, ist die Charakterisierung disperser Systeme eine der wichtigsten Aufgaben der Verfahrenstechnik (Abschnitt 2), weil die Eigenschaften von Produkten nicht nur durch ihre chemische Zusammensetzung sondern ebenso durch ihre physikalischen Größen bestimmt werden. Die Feststoffverfahrenstechnik, die hier behandelt wird, umfasst alle Verfahrensschritte einer Prozesskette, von der Entstehung des Feststoffes durch Kristallisation, Fällung oder Kondensation über die Formulierung bis hin zur Anwendung. Dabei werden die dispersen Systeme gezielt oder ungewollt verändert. Dies betrifft insbesondere den Dispersitätszustand. Durch Zerkleinern wird die Größe von Partikeln verringert, durch Agglomeration entstehen größere Partikelverbände. Durch Mischen oder Trennen wird die Häufigkeitsverteilung der unterschiedlichsten Merkmale verändert. Viele physikalische Eigenschaften, z. B. die Festigkeit oder das Haftverhalten von Partikeln ändern sich mit dem Dispersitätszustand. Im Kollektiv äußert sich der disperse Zustand in der Schüttgutdichte, im Fließverhalten von Schüttgütern oder in ihrer Durchströmbarkeit. Um dieses Verhalten zu beschreiben, müssen die physikalischen Eigenschaften der Feststoffe, z. B. Größe, Form und Festigkeit bekannt sein, wobei die Charakterisierung disperser Systeme auch die Ausgangs-, Zwischen- oder Endprodukte umfasst.

HANS RUMPF hat in seiner Veröffentlichung »Über die Eigenschaften von Nutzstäuben« [1.1] die Zusammenhänge zwischen Dispersitätseigenschaften und Produkteigenschaften beschrieben. An Beispielen wird aufgezeigt, wie die Produkteigenschaften – Produktzustand und Produktverhalten – disperser Systeme von physikalischen Partikeleigenschaften abhängen. RUMPF nannte den funktionalen Zusammenhang »Eigenschaftsfunktion« (Abb. 1.1).

Die Produkteigenschaften gliedern sich in drei Kategorien: Wirkung, Applizierbarkeit und Herstellbarkeit. Nur die ersten beiden Klassen sind für den Endverbraucher/Anwender relevante Qualitätsmerkmale; verarbeitungstechnische Eigenschaften interessieren dagegen nur den Hersteller. Im Folgenden sind Beispiele der unterschiedlichen Kategorien von Anwendungs- und Verarbeitungseigenschaften sowie Dispersitätseigenschaften aufgeführt.

Zu den Produkteigenschaften zählen:

Anwendungseigenschaften: Bioverfügbarkeit, Farbe, Geschmack, Festigkeit, Aktivität eines Katalysators

Verarbeitungstechnische Eigenschaften: Fließfähigkeit, Haftverhalten, Mischbarkeit, Filtrierverhalten, Abscheideverhalten, Verdampfungsgeschwindigkeit

Die Dispersitätseigenschaften umfassen:

Partikelgröße, Partikelform, Porosität, Festigkeit, Kristallinität.

Prozesse der mechanischen Verfahrenstechnik zielen auf eine Veränderung der Partikeleigenschaften oder des Mischungszustandes hin. Die für die Charakterisierung disperser Systeme besonders wichtige Partikelmesstechnik dient dem Erfolgsnachweis der Maßnahmen in den einzelnen Prozessen, wobei der Erfolg eines jeden Prozesses selbst entscheidend vom dispersen Zustand bestimmt wird, zum Beispiel:

mit abnehmender Partikelgröße lassen sich Stoffe schwieriger zerkleinern und schwerer abscheiden

mit abnehmender Partikelgröße lassen sich Stoffe schneller verdampfen

Abb.1.1 Eigenschaftsfunktionen

Die Prozesse lassen sich nach dem in Tabelle 1.1 gezeigten Schema ordnen, je nachdem, ob mit ihnen eine Änderung des Dispersitätszustandes, der Zusammensetzung bzw. des Mischungszustandes oder des Ordnungszustandes verbunden ist [1.2].

Beim Trennen, Mischen und insbesondere beim Fördern treten häufig ungewollt Veränderungen durch Abrieb oder Agglomeration auf. Zur Bestimmuung des Abriebs oder der Agglomeration werden die gleichen Messmethoden genutzt.

Die Elemente einer dispersen Phase bestehen aus: festen (Suspensionen, Aerosole), flüssigen (Emulsionen) oder gasförmigen (Blasen, Schäume) Partikeln. Die Elemente können durch verschiedene Merkmale charakterisiert werden, z. B. Größe, Form, Festigkeit, Struktur, Farbe, Porosität oder Homogenität. Die Merkmale sind immer verteilt. Die Elemente können verschieden angeordnet sein, als Primärpartikel, Agglomerate, unregelmäßige Flockungsstrukturen oder geordnete Strukturen. Diese Merkmale sind für die Produkteigenschaften entscheidend.

Ein Beispiel aus der Chemie soll die Bedeutung mechanischer Prozesse in der verfahrenstechnischen Industrie unterstreichen: Von den in der Chemie produzierten Produkten sind mehr als 50% disperser Natur. Von den übrigen durchlaufen viele während der Produktion einen dispersen Zustand.

Neue Aspekte kommen im Bereich nanoskaliger Partikeln hinzu. Die unterschiedlichen Herstellverfahren nanoskaliger Produkte über Flammsynthese, Verdampfung und Kondensation, Fällung, Kristallisation, Sol-Gel-Verfahren oder Zerkleinerung erfordern neue Messtechniken, die der Schnelligkeit der Prozesse gerecht werden und besonders die Wechselwirkungskräfte mit erfassen. Diese Wechselwirkungskräfte bestimmen in diesem Größenbereich das Produktverhalten wesentlich. Dies gilt sowohl für die Herstellung der Partikeln als auch für ihre Handhabung.

Die Besonderheit der mechanischen Verfahren ist darin begründet, dass die in den unterschiedlichsten Prozessen auftretenden Partikelgrößen acht Zehnerpotenzen umfassen können. Darüber hinaus bestehen die Feststoffpartikel häufig aus mehreren Komponenten, aus vielen Kristalliten einer Komponente oder es sind Agglomerate, die durch schwache Bindungskräfte (kapillare Haftkräfte, van-der-Waals-Kräfte, elektrostatische oder magnetische Kräfte) zusammengehalten werden. Eine derartige Heterogenität der Stoffsysteme liegt in anderen Bereichen der Verfahrenstechnik nicht vor.

Tab. 1 Grundoperationen der mechanischen Verfahrenstechnik

Im Folgenden kann nur eine Einführung in die mechanische Verfahrenstechnik gegeben werden, für eine umfassende Darstellung siehe [1.2]–[1.5].

2

Charakterisierung disperser Systeme

2.1 Eigenschaften disperser Systeme

2.1.1 Ziel einer Charakterisierung