Thermische Trennverfahren E-Book

Klaus Sattler

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2012

Seitenzahl: 748

Beschreibung

Bei der Herstellung von Produkten und Verbrauchsgütern in verfahrenstechnischen Produktionsanlagen spielen Thermische Trennverfahren neben der chemischen Stoffumwandlung eine besondere Rolle und verursachen häufig den größten Teil der Anlagenbetriebs- und Investitionskosten. Das Buch gibt eine klare, verständliche und an den Bedürfnissen der Praxis ausgerichtete Gesamtdarstellung dieser thermischen Trennverfahren und ihrer Einordnung in die Gesamtanlage. Ein umfangreiches Einführungskapitel verdeutlicht die physikalischen und physikalisch-chemischen Gesetzmäßigkeiten und Prinzipien, die allen thermischen Trennverfahren zugrunde liegen. Es folgt eine praxisorientierte Darstellung von Verfahrensweisen, Auslegungsprinzipien und apparativen Realisierungen in der Destillation und Teilkondensation, Absorption, Adsorption, Trocknung, Extraktion, Lösungseindampfung und Kristallisation. '... Das Buch ist in Inhalt, Darstellung und Gestaltung vorzüglich gelungen. Es kann bereits heute unter die Standardwerke der thermischen Trenntechnik eingereiht werden.' - Chemie Ingenieur Technik '.... Das Buch ist für alle Chemieingenieure und Verfahrenstechniker in Studium und Beruf eine wertvolle, unentbehrliche Hilfe ...' - Deutsche Lebensmittel-Rundschau '... Nach wie vor ein wichtiger, konkurrenzloser Titel für Ingenieure ...' - ekz

Leseprobe

Contents

Vorwort zur dritten Auflage

Vorwort zur zweiten Auflage

Vorwort zur ersten Auflage

Häufig verwendete Formelzeichen und zugehörige übliche Einheiten

1 Grundlagen

1.1 Übersicht über die thermischen Trennverfahren, Prinzipien

1.2 Betriebsformen thermischer Trennverfahren

1.3 Stoffbilanz, Energiebilanz, Exergiebilanz

1.4 Phasengleichgewichte

1.5 Trennfaktor, relative Flüchtigkeit

1.6 Mindesttrennarbeit

1.7 Grundzüge des Stofftransports

1.8 Stationäre Gleichstromoperationen

1.9 Stationäre Gegenstromoperationen

1.10 Stationäre Kreuzstromoperationen

1.11 Allgemeine Vorgehensweise bei der Auslegung von Einrichtungen zur thermischen Trennung von Gemischen

2 Destillation und Teilkondensation

2.1 Erläuterung der Begriffe einfache Destillation, Rektifikation, Teilkondensation

2.2 Diskontinuierlich und kontinuierlich betriebene einfache Destillation, Entspannungsdestillation

2.3 Trägerdampfdestillation

2.4 Destillation unter Vakuum. Molekulardestillation

2.5 Gegenstromdestillation (Rektifikation)

2.6 Auswahl, Optimierung und Regelung von Rektifizieranlagen

2.7 Zubehör von Rektifizieranlagen

2.8 Gleichstromdestillation

2.9 Nichtadiabate Rektifikation

2.10 Teilkondensation

3 Absorption

3.1 Erläuterung der Begriffe Absorption und Desorption, Verfahrensweise, Verfahrensbeispiele

3.2 Anforderungen an das Wasch- bzw. Lösungsmittel, Lösungsmittelbedarf

3.3 Enthalpie- bzw. Wärmebilanz

3.4 Absorption im Phasengleichstrom und im Phasenkreuzstrom

3.5 Absorption im Phasengegenstrom, Auslegung von Gegenstromkolonnen

3.6 Bauformen von Absorbern

3.7 Regenerierung des Lösungsmittels, Desorption

4 Adsorption

4.1 Erläuterung der Begriffe Adsorption und Desorption, Verfahrensweise, Verfahrensbeispiele

4.2 Adsorbentien, Adsorbensauswahl

4.3 Kinetik der Adsorption

4.4 Varianten der Adsorption, Auslegung von Adsorbern

4.5 Bauformen von Adsorbern

4.6 Desorption, Regeneration beladener Adsorbentien

5 Trocknung

5.1 Erläuterung des Begriffs, Verfahrensweise, Verfahrensbeispiele

5.2 Eigenschaften des feuchten Guts, Feuchtewanderung

5.3 Eigenschaften des feuchten Gases, h, X-Diagramm

5.4 Wärme- und Stoffübergang bei der Konvektionstrocknung

5.5 Kinetik der Trocknung, Trocknungsverlauf, Trocknungsdauer

5.5 Kinetik der Trocknung, Trocknungsverlauf, Trocknungsdauer

5.6 Konvektionstrocknung

5.7 Kontakttrocknung (konduktive Trocknung)

5.8 Strahlungstrocknung

5.9 Hochfrequenztrocknung

5.10 Gefriertrocknung

5.11 Bauformen von Trocknern

6 Extraktion

6.1 Erläuterung des Begriffs und Verfahrensweise

6.2 Flüssig-Flüssig-Extraktion

6.3 Fest-Flüssig-Extraktion

6.4 Hochdruckextraktion (Destraktion)

7 Lösungseindampfung, Kristallisation

7.1 Begriffserläuterung und Verfahrensweise bei der Kristallisation

7.2 Kristallisation aus Lösungen

7.3 Kristallisation aus der Schmelze

7.4 Kristallisation aus der Dampfphase, Sublimation und Desublimation

8 Dokumentation und Vorausberechnung von Stoffwerten

Literaturverzeichnis

Register

Professor Dipl. Ing. Klaus Sattler

Fachhochschule Mannheim

Hochschule für Technik und Gestaltung

University of Applied Sciences

Windeckstraße 110

68163 Mannheim

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

1. Auflage 1988

2. überarbeitete und erweiterte Auflage 1995

3. überarbeitete und erweiterte Auflage 2001

Umschlagsphoto: Die Salpetersäure-Anlagen sind ausgerüstet mit einer katalytischen Abgasreinigung zur Reduzierung der Stickoxiden. Foto BASF AG, Ludwigshafen.

Die Deutsche Bibliothek – CIP-Einheitsaufnahme

Ein 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 auf säurefreiem Papier.

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Print ISBN 9783527302437

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Epub ISBN 978-3-527-66078-0

Mobi ISBN 978-3-527-66077-3

Vorwort zur dritten Auflage

Nachdem die bisherigen Auflagen der „Thermischen Trennverfahren“ und der „Thermal Separation Processes“ in der Praxis und im Hochschulbereich sehr positiv aufgenommen wurden, liegt jetzt wieder eine überarbeitete, aktualisierte und erweiterte Neuauflage vor.

Die bewährte Art der ballastfreien Darstellung mit besonderem Bezug zur Anwendungspraxis und mit vielen aussagekräftigen Abbildungen und Tabellen der vorherigen Auflagen wurde beibehalten. Auch in der vorliegenden Neuauflage ergänzen Beispiele ausgeführter Anlagen der Praxis mit zugehörigen typischen Betriebsdaten die dargestellten Auslegungsroutinen und verdeutlichen die Anwendung der Trennverfahren auch in ihrem modernen Verbund. Auch auf neueste Verfahrensvarianten und Bauformen wird in Fließbildern und Apparateskizzen hingewiesen.

Wie im Vorwort zu den bisherigen Auflagen schon erwähnt, war es in Anbetracht der Stofffülle nicht möglich, auch noch durchgerechnete Übungs- und Dimensionierungsbeispiele aufzunehmen. Eine Überarbeitung meines Buches „Thermische Trennverfahren. Aufgaben und Lösungen, Auslegungsbeispiele“ ist geplant.

Mein Dank gilt wieder, wie bei den vorherigen Auflagen, jenen Autoren, Firmen und Instituten, die mich mit ausgezeichnetem Bild- und Informationsmaterial unterstützten. Die WILEY-VCH Verlag GmbH sorgte wieder in bewährter Weise für eine ausgezeichnete Ausstattung der vorliegenden Neuauflage. Mein Dank gilt hier insbesondere Frau Karin Sora vom Lektorat und Herrn Hans Jörg Maier mit seinem Herstellungsteam.

Brühl, im Frühjahr 2001

Klaus Sattler

Vorwort zur zweiten Auflage

Nachdem die erste Auflage der „Thermischen Trennverfahren“ in der Praxis und im Hochschulbereich – inzwischen auch in englischer Übersetzung – eine ausgezeichnete Aufnahme fand, liegt jetzt eine überarbeitete, aktualisierte und erheblich erweiterte Neuauflage vor.

Bei der Überarbeitung wurde die bewährte Art der ballastfreien Darstellung mit vielen informativen Abbildungen und Tabellen beibehalten. Weitere, ergänzte Beispiele ausgeführter Anlagen mit zugeordneten Betriebsdaten verdeutlichen die praktische Anwendung der thermischen Trennverfahren auch in ihrem Verbund und unterstreichen den betonten Praxisbezug des Buches.

Es war, wie im Vorwort zur ersten Auflage schon erwähnt, in Anbetracht der Stoffülle nicht möglich, durchgerechnete Übungs- und Dimensionierungsbeispiele aufzunehmen. Ein Nachdruck meines Buches „Thermische Trennverfahren. Aufgaben und Lösungen, Auslegungsbeispiele“ kann über mich bezogen werden. Eine Überarbeitung ist geplant.

Mein Dank gilt jenen Autoren, Firmen und Instituten, die ausgezeichnetes Bild- und Informationsmaterial der Anwendungspraxis zur Verfügung stellten. Die VCH-Verlagsgesellschaft sorgte in bewährter Weise für eine ausgezeichnete Ausstattung der Neuauflage. Mein Dank gilt hier insbesondere Frau Karin Sora vom Lektorat, Frau Claudia Grössl und dem Herstellungsteam.

Brühl, im Herbst 1995

Klaus Sattler

Vorwort zur ersten Auflage

Bei der Herstellung von Produkten und Verbrauchsgütern in der chemischen und pharmazeutischen Industrie, der Raffinerietechnik und petrochemischen Industrie, der Gas- und Brennstofftechnik, der Grundstoffindustrie und der Lebensmitteltechnik etc. spielen physikalische Grundoperationen zur thermischen Zerlegung von Gemischen eine besonders wichtige Rolle. Gemessen an der Bedeutung der thermischen Trenntechnik gibt es zu wenige kurzgefaßte und praxisorientierte Gesamtdarstellungen der thermischen Trennverfahren im deutschen Sprachbereich, und auch diese beschreiben nur die Verfahren. Das vorliegende Buch als völlig überarbeitete, ergänzte und aktualisierte Neuauflage einer im Vorlesungsbereich und im Rahmen von Weiterbildungsveranstaltungen beim Haus der Technik in Essen und bei der Technischen Akademie Esslingen bewährten Erstauflage soll helfen, diese Lücke zu schließen.

Das Buch wendet sich an Studierende des Chemieingenieurwesens und der Verfahrenstechnik, der Lebensmitteltechnik, der Biotechnologie und des Umweltschutzes, des Maschinenbaus, der Chemie und der Physik. Es soll aber auch den Ingenieur der genannten Fachrichtungen, den Chemiker und Physiker in der Praxis ansprechen.

Ein umfangreiches Einführungskapitel verdeutlicht die physikalischen und physikalischchemischen Gesetzmäßigkeiten und Prinzipien, die allen thermischen Trennverfahren gemeinsam zugrunde liegen. Erst dann folgt die textlich geraffte, mit vielen erläuternden Abbildungen und Tabellen durchsetzte, sehr praxisorientierte verfahrensspezifische Darstellung von Verfahrensweise, Auslegungsprinzipien und apparativer Realisierung. Zahlreiche Hinweise auf spezielle Literatur z.B. über bestimmten Dimensionierungskonzepten zugrunde liegende Modellvorstellungen, apparative Besonderheiten etc. verhelfen zu einer weitergehenden, umfassenderen Information. Ein breiter Leserkreis soll durch diese Art der Darstellung zur Verfahrens- und Apparateauswahl und zur Dimensionierung von Einrichtungen zur thermischen Gemischzerlegung befähigt werden. Dabei werden nur jene mathematischen und physikalischchemischen Vorkenntnisse vorausgesetzt, die in den ersten Studiensemestern vermittelt werden.

Da die Verflechtung mit dem angelsächsischen Sprachraum im Bereich der Verfahrenstechnik besonders eng ist, sollen deutsch-englische Stichworte und Bildunterschriften dem Leser englische Spezialausdrücke der thermischen Trenntechnik nahebringen.

Mein Dank gebührt Herrn Dr. Ebel vom Verlagslektorat, der meinen Vorstellungen von der Konzeption des Buches und von der manchmal etwas unüblichen Gestaltung der Tabellen und Abbildungen wohlwollendes Verständnis entgegenbrachte. Mein Dank gebührt insbesondere auch Frau Jacob, die mit Sachverstand und Sorgfalt die Durchsicht des Manuskripts übernahm und mit wertvollen Anregungen die Fertigung erleichterte. Mein Dank gilt auch Frau Littmann, die die Herstellung des Buches mit Sorgfalt organisierte und überwachte, sowie allen an der Herstellung Beteiligten.

Angesichts der großen Stoffülle und des beschränkten Umfangs war es nicht möglich, durchgerechnete Auslegungsbeispiele aufzunehmen. Ich verweise hierzu auf mein nebenstehend zitiertes Buch, das wichtige Dimensionierungskonzepte für alle thermischen Trennverfahren beschreibt. Das Buch ist inzwischen vergriffen, kann aber als Nachdruck vom Verfasser bezogen werden.

SATTLER, K.: Thermische Trennverfahren. Aufgaben und Lösungen, Auslegungsbeispiele. Vogel-Verlag, Würzburg 1979

Brühl, im Frühjahr 1988

Klaus Sattler

Häufig verwendete Formelzeichen und zugehörige übliche Einheiten

A

Fläche

(area)

m

2

A

Q

Querschnitt

(cross section)

m

2

D

Diffusionskoeffizient

(diffusion coefficient)

m

2

/h

D,

Dampfmasse, Dampfmenge, Dampfmassenstrom, Dampfmengenstrom

(vapor, vapor flux)

kg, kmol, kg/h, kmol/h

E

Stufenaustauschgrad, Verstärkungsverhältnis (

stage efficiency

)

–

F

Kraft

(force)

N

F

Belastungsfaktor

(loading factor)

F,

Mischungszulauf

(feed)

kg, kmol, kg/h, kmol/h

F

Freie innere Energie

(free internal energy)

kJ

G,

Gasmasse, Gasmenge, Gasmassenstrom, Gasmengenstrom (

gas, gas flux

)

kg, kmol, kg/h, kmol/h

G

Freie Enthalpie

(free enthalpy)

kJ

H

Enthalpie

(enthalpy)

kJ

HETS

Stufenäquivalente Höhe

(height equivalent to one

theoretical stage)

m

HTU

Höhe einer Übergangseinheit

(height of a transfer unit)

m

K*

Phasengleichgewichtskonstante

(phase equilibrium constant

)

–

L,

Flüssigkeitsmasse, Flüssigkeitsmenge, Flüssigkeitsmassenstrom, Flüssigkeitsmengenstrom

(liquid, liquid flux)

kg, kmol, kg/h, kmol/h

L

c

Charakteristische Länge

(characteristic lenght)

m

M

Molare Masse

(molar mass)

kg/kmol

N

Stufenzahl

(number of stages)

–

NTSM

Zahl der theoretischen Trennstufen pro m Packungshöhe

(number of theoretical stages per m height of packing)

–

NTU

Zahl der Übergangseinheiten

(number of transfer units)

–

Q,

Wärme, Wärmestrom

(heat, heat flux)

kJ, kJ/h, W

R,

Rücklauf, Rücklaufstrom

(reflux, reflux

flow)

kg, kg/h, kmol, kmol/h

Universelle Gaskonstante

(

gas constant)

kJ/(kmol • K)

S

Entropie

(entropy)

kJ/K

T

Absolute Temperatur

(absolute

temperature)

K

U

Innere Energie

(internal

energy)

kJ

V,

Volumen, Volumenstrom

(volume, volume flux)

m

3

, m

3

/h

Molares Volumen

(molar volume)

m

3

/kmol

W

Arbeit

(work)

kJ

X

Beladung, schwere Phase

(concentration, heavy phase)

–

Y

Beladung, leichte Phase

(concentration, light phase)

–

Z

Stoff- und wärmeaustauschende Apparatelänge bzw. -höhe

(length, height)

m

a

Aktivität

(activity)

–

a

Volumenspezifische Austauschfläche

(specific area)

m

2

/m

3

c

Molare Konzentration

(molar concentration)

kmol/m

3

c

p

,

p

Spezifische Wärme

(specific heat)

kJ/(kg • K), kJ/(kmol • K)

c

w

Widerstandsbeiwert

(resistance coefficient)

–

d

Durchmesser

(diameter)

m

d

p

Partikeldurchmesser

(particle diameter)

m

d

s

Sauter-Durchmesser

(Sauter diameter)

m

f

Fugazität

(fugacity)

bar

f

Spezifische freie innere Energie

(specific free internal energy)

kJ/kg, kJ/kmol

g

Erdbeschleunigung

(gravitational acceleration)

m/s

2

g,

Spezifische freie Enthalpie

(specific free enthalpy)

kJ/kg, kJ/kmol

h,

Spezifische Enthalpie

(specific enthalpy)

kJ/kg, kJ/kmol

Δh, Δ

Latente Enthalpie

(latent heat)

kJ/kg, kJ/kmol

k

Wärmedurchgangskoeffizient

(overall heat transfer

coefficient)

W/(m

2

• K)

k

Stoffdurchgangskoeffizient

(overall mass transfer

coefficient)

m/h

m,

Masse, Massenstrom

(mass, mass flux)

kg, kg/h

n,

Menge (Stoffmenge), Mengenstrom

(number of moles, molar flux)

kmol/h

p

Gesamtdruck (

total pressure

)

bar, Pa

P

i

Partialdruck

(partial pressure)

bar, Pa

p

o, i

Sattdampfdruck

(saturated vapor pressure)

bar, Pa

Δp

Druckverlust

(pressure drop)

mbar, Pa

q

Spezifischer Wärmebedarf

(specific heat requirement)

kJ/kg

Heizflächenbelastung

(specific heat flux)

kJ/(m

2

•h),W/m

2

r

Radius

(radius)

m

r

Reaktionsgeschwindigkeit

(reaction rate)

kmol/(m

3

• h)

s,

Spezifische Entropie

(specific entropy)

kJ/(kg • K), kJ/(kmol • K)

s

Transportweg

(transfer distance)

m

t

Zeit

(time)

h

t

m

Mittlere Verweilzeit

(mean residence time)

h

u,

Spezifische innere Energie

(specific internal energy)

kJ/kg, kJ/kmol

v

Rücklaufverhältnis, Lösungsmittelverhältnis, Adsorbensverhältnis

(reflux

ratio, solvent ratio, adsorbend ratio)

–

w

Geschwindigkeit

(velocity)

m/s

w

Massenanteil

(mass fraction)

–

x

Stoffmengenanteil, schwere Phase (

molar fraction, heavy phase

)

–

y

Stoffmengenanteil, leichte Phase (

molar fraction, light phase

)

–

z

Variable Apparatehöhe, -länge (

variable height, length

)

m

α

Trennfaktor, relative Flüchtigkeit (

separation factor

)

–

α

Wärmeübergangskoeffizient (

heat transfer coefficient

)

W/(m

2

• K)

ß

Stoffübergangskoeffizient (

mass transfer coefficient

)

m/h

γ

Aktivitätskoeffizient (

activity coefficient

)

–

δ

Schichtdicke (

layer thickness

)

m

ε

Relatives freies Lückenvolumen (Porosität)

(relativ free volume)

–

η

Ausbeute (

yield

)

–

η

Dynamische Viskosität (

dynamic viscosity

)

Pa • s

Temperatur (

temperature

)

°C

𝜘

Steigungswinkel (

slope angle

)

°

λ

Wärmeleitfähigkeit (

heat conductivity

)

W/(m • K)

µ,

Chemisches Potential (

chemical potential

)

kJ/kg, kJ/kmol

v

Kinematische Viskosität (

kinematic viscosity

)

m

2

/s

Dichte

(density)

kg/m

3

σ

Oberflächen- bzw. Grenzflächenspannung (

surface tension

)

N/m

φ

Relative Feuchte (

relative humidity

)

–

Indizes

H

Heizdampf

(steam)

T

Träger

(carrier)

V

Verlust

(loss)

g

Gasphase

(gas

phase)

i, j

Komponente

(component)

1

Flüssigphase

(liquid

phase)

o

Oberhalb

(above)

, Oberfläche

(surface)

p

Praktisch

(effective)

s

Festphase

(solid

phase)

t

Theoretisch

(theoretical)

u

Unterhalb

(below)

α

Anfang, Eintritt, Start

(start, entry)

ω

Ende

(end)

1 Grundlagen

1.1 Übersicht über die thermischen Trennverfahren, Prinzipien

In einer verfahrenstechnischen Produktionsanlage werden Produkte durch chemische und physikalische Umwandlungen von Rohstoffen und Zwischenprodukten hergestellt. Die Produktionsanlage stellt dabei eine in sich abgeschlossene technische Baueinheit dar, die nur über Transportwege und Transportleitungen für Personal, Rohstoffe, Hilfsstoffe, Produkte, Betriebsmittel und Energien über die Anlagengrenze hinaus mit dem übrigen Betrieb verbunden ist. Sie setzt sich, wie Abb. 1-1 zeigt, aus der Hauptanlage zur Durchführung des eigentlichen Produkterzeugungsverfahrens und verschiedenen Nebenanlagen zusammen.

Die Hauptanlage besteht aus Anlagenteilen zur Durchführung chemischer Stoffumwandlungen (unit processes) und physikalischer Grundoperationen (unit Operations) wie Trennen, Vereinigen, Zerteilen, Formgeben, Wärmeübertragen, Fördern, Lagern, Verpacken. Ihr verfahrensunabhängig allgemein gültiger Aufbau ist in Abb. 1-2 dargestellt.

Das Charakteristische einer Anlage zur Erzeugung eines bestimmten Produkts ist die produktbezogene Kombination dieser Anlagenteile. Das Charakteristische eines Verfahrens zur Erzeugung eines bestimmten Produkts ist die produktbezogene Synthese aus Verfahrenseinheiten.

Bei der chemischen Umwandlung der Rohstoffe fallenhomogene undheterogene Gemische an (Abb. 1-2 und 1-3), die entsprechend dem eingestellten Umsatz der chemischen Reaktion im allgemeinen alle Reaktionsteilnehmer, also Rohstoffe und Reaktionsprodukte, enthalten. Diese Gemische müssen mit Hilfe von Trennverfahren aufbereitet, d.h. in die gewünschten Produkte und die rezirkulierbaren Rohstoffe mit der jeweils geforderten Reinheit zerlegt werden.

Tab. 1-1 gibt einen Überblick über die Verfahren zur physikalischen Trennung homogener (einphasiger) und heterogener (zwei- oder mehrphasiger) Gemische. Einteilungsprinzip ist dabei die treibende Kraft des Trennvorgangs.

Homogene Gemische mit molekulardisperser Verteilung der einzelnen Gemischkomponenten können meist nur mittels thermischer Trennverfahren zerlegt werden.

Thermische Trennverfahren sind Stofftransportoperationen, molekulare Triebkraftprozesse. Bei ihnen werden Stoffe und meist auch Wärme zwischen mindestens zwei Phasen unterschiedlicher Zusammensetzung ausgetauscht. Diese Phasen sind Gemischphase(n) und selektive Zusatzphase. Die Zusatzphase wird entweder unter Energiezufuhr und/oder unter Zuhilfenahme eines Hilfsstoffs aufgebaut. Über die Zusatzphase werden auch die für den Stoff- und Wärmetransport notwendigen treibenden „Kräfte“, Konzentrationsgefälle und Temperaturgefälle, errichtet.

In Abb. 1-4 sind die thermischen Trennverfahren aufgelistet und in Tab. 1-2 durch die am Stoffaustausch beteiligten Phasen gekennzeichnet.

Die thermische Trennung von Gemischen läuft in folgenden Einzelschritten ab:

Erster Schritt:

zur ursprünglich allein vorhandenen Gemischphase(n) wird eine Zusatzphase errichtet. Hierzu muß Energie zugeführt werden oder ein Hilfsstoff zum Einsatz kommen.

Zweiter Schritt:

zwischen diesen Phasen werden Stoffe und meist auch Wärme ausgetauscht. Dies geschieht eventuell unter Energiezu- oder -abfuhr.

Dritter Schritt:

die Phasen werden nach Abschluß der Austauschvorgänge getrennt. Mit dieser Phasentrennung ist dann auch eine (teilweise) Gemischtrennung verbunden.

Abb. 1-1. Allgemeiner Aufbau einer verfahrenstechnischen Produktionsanlage.

Abb. 1-2. Grundfließbild des Hauptteils einer verfahrenstechnischen Produktionsanlage („Hauptanlage“).

Abb. 1-3. Reaktionsstufe und Aufbereitungsstufen für eine unvollständig ablaufende Reaktion des Typs A + B + C ⇆ D + E.

Abb. 1-4. Übersicht über die thermischen Trennverfahren.

Einteilungsprinzip:

Einfache Phasenumwandlungen ↔ Fraktioni erungen

Zur Gemischtrennung Hilfsstoff als Zusatzstoff notwendig ↔ nicht notwendig

Dieser Ablauf ist allen thermischen Trennverfahren gemeinsam. Es liegt deshalb auf der Hand, daß gewisse, allen thermischen Trennverfahren gemeinsame Grundsätze, Prinzipien, formuliert werden können. Die wichtigsten hydrodynamischen und thermodynamischen Prinzipien sollen im folgenden behandelt werden.

Phasenführung im Gleichstrom (Gleichstrom-Prinzip)

Die am Stoff- und Wärmeaustausch beteiligten Phasen werden im Trennapparat im Gleichstrom geführt. Die Wirkung des Trennapparats kann dabei bestenfalls die einer einzigen theoretischen Stufe ausmachen.

Phasenführung im Gegenstrom (Gegenstrom-Prinzip)

Die stoff- und wärmeaustauschenden Phasen werden im Gegenstrom durch den Trennapparat geführt. Dabei kommt es darauf an, diese Phasen an Einbauten des Trennapparats zu zerteilen und intensiv zu vermischen, damit zwischen ihnen für den gewünschten Stoffaustausch eine möglichst große Austauschfläche (Phasengrenzfläche) zur Verfügung steht und möglichst große Stoffübergangskoeffizienten erzielt werden. Abb. 1-5 zeigt eine „Trennkolonne“ mit in Serie geschalteten Stufen, in denen die Bezugskomponente i des Gemischs aus der schweren Phase in die leichte Phase wandern soll. Beide Phasen können dabei alle Komponenten des Gemischs enthalten.

Tab. 1-1. Übersicht über die Trennverfahren.

Eine Betrachtung von Stufe n zeigt, daß die schwere Phase mit dem Stoffmengenanteil xn in Berührung mit der leichten Phase mit dem Stoffmengenanteil yn–1 kommt. Sind xn und yn–1 keine Phasengleichgewichtskonzentrationen, stehen die der Stufe n zuströmenden Phasen also nicht im Phasengleichgewicht, so können in dieser Stufe Stoff- und Wärmetransportvorgänge ablaufen. Die Bezugskomponente i reichert sich voraussetzungsgemäß in der leichten Phase bis auf eine Endkonzentration yn an, während die schwere Phase an i von xn auf xn–1 verarmt.

Tab. 1-2. Kennzeichnung der thermischen Trenn verfahren durch die am Stoff- und Wärmeaustausch beteiligten Phasen.

Wirkt nun Stufe n als theoretische Stufe, so stehen die sie verlassenden Phasen im Phasengleichgewicht; ein weiterer Stoff- und Wärmeaustausch ist insgesamt zwischen ihnen nicht mehr möglich. yn und xn–1 sind dann Phasengleichgewichtskonzentrationen.

Die schwere Phase mit xn–1 gelangt in Stufe n–1 und tritt dort mit der leichten Phase mit yn–2 in Austausch, wobei sich Entsprechendes wie in Stufe n abspielt.

Das besprochene Beispiel zeigt folgendes: Bei der Gegenstromführung der Phasen können einzelne Stufen in ein- und demselben Trennapparat hintereinander (in Serie) geschaltet werden. Die leichte Phase, die eine Stufe verläßt, wird der nächstfolgenden, die die Stufe verlassende schwere Phase wird der vorgeordneten Stufe zugeführt.

Abb. l-5.Gegenstromführung zweier Phasen in einem Trennapparat.

n–1, n hintereinander geschaltete Stufen,

LP aufströmende leichte Phase,

SP abströmende schwere Phase,

x Stoffmengenanteil der Bezugskomponente in der schweren Phase,

y Stoffmengenanteil der Bezugskomponente in der leichten Phase.

Eine theoretische Stufe ist jener Teil eines Trennapparats, in dem ein Stoff- und Wärmeaustausch zwischen zunächst nicht im Gleichgewicht befindlichen Phasen so stattfindet, daß die ihn verlassenden Phasen im Phasengleichgewicht (s. Abschn. 1.4) stehen.

In einer praktischen Stufe ist meist eine Gleichgewichtseinstellung nicht zu erreichen. Ihre Trennwirksamkeit läßt sich mit jener der theoretischen Stufe durch einen Stufenaustauschgrad (Austauschverhältnis, Verstärkungsverhältnis, Murphree efficiency) E vergleichen (Abb. 1-5):

(1-1)

Es bedeuten:

y

n

* –

y

n

–1

theoretisch mögliche Anreicherung mit der Bezugskomponente in der leichten Phase (

y

n

* Phasengleichgewichtskonzentration zu

x

n

–1

),

y

n

–

y

n

–1

tatsächlich erfolgte Anreicherung mit der Bezugskomponente in der leichten Phase.

Dabei muß oftmals ein lokales Austauschverhältnis von einem Gesamtaustauschverhältnis unterschieden werden, je nachdem ob y nur punktweise oder über den Gesamtquerschnitt der Trennkolonne gilt.

Phasenführung im Kreuzstrom (Kreuz- oder Querstrom-Prinzip)

Die stoff- und wärmeaustauschenden Phasen werden im Kreuz- oder Querstrom durch den Trennapparat geführt, d.h. ihre Phasenströme schließen einen Winkel von 90° ein.

Je nach Gleichgewichtslage und dem Verhältnis der Phasenströme lassen sich in einzelnen Trennstufen im allgemeinen nur bescheidene Trennwirkungen erzielen. Soll eine Gemischzerlegung zu den fast reinen Komponenten führen, so müssen daher mehrere Trennstufen in Serie geschaltet werden. Dies geschieht am wirkungsvollsten mit Phasengegenstrom. Phasenkreuzstrom und Parallelzuführung einer Phase zu den einzelnen Trennstufen sind manchmal auch angezeigt, der Phasengleichstrom spielt dagegen kaum eine Rolle.

Prinzip des Zeitbedarfs

Der Zeitbedarf für eine Gemischtrennung ist für den diskontinuierlichen Betrieb durch die effektive Verweilzeit, für den kontinuierlichen Betrieb durch die mittlere Verweilzeit tm des Gemischs im Trennapparat festlegbar:

(1-2)

Hierin bedeuten:

V

vom Gemisch erfülltes Volumen des Trennapparats (bestimmt über Apparatevolumen und Füllungsgrad),

Effektivvolumenstrom des Gemischs.

Man unterscheidet je nach Zeitbedarf Kurz-, Mittel- und Langzeittrennverfahren:

Kurzzeittrennverfahren (tm < 30 s).

Beispiele: Zerstäubungstrocknung, Gasadsorption, Fällungskristallisation.

Mittelzeitverfahren (30 s < tm < 2 h).

Beispiele: Absorption, Rektifikation, Walzentrocknung, Stromtrocknung, Sublimation, Extraktion, Kristallisation, Flüssigkeitsadsorption.

Langzeitverfahren (1 h < tm < 1 d).

Beispiele: Trommeltrocknung, Vakuumtaumeltrocknung, Gefriertrocknung, klassierende Kristallisation.

Prinzip der Energiezufuhr

Bei der thermischen Trennung von Gemischen ist dem Trennapparat Energie zuzuführen, und zwar in Form von

Wärme,

im allgemeinen zum Erhöhen der fühlbaren Wärme der strömenden Massen sowie zum Aufbringen der eventuell erforderlichen latenten Wärmen;

Strömungsenergie

zum Überwinden der Druckverluste in den Trennapparaten und den verbindenden Rohrsystemen mit entsprechenden Rohrteilen;

Antriebsarbeit

für zum Beispiel Dispergier-, Pulsier-, Rühr- und Umpumpeinrichtungen;

Arbeit

zum Betreiben von peripheren Arbeitsmaschinen wie Verdichtern und Vakuumpumpen.

1.2 Betriebsformen thermischer Trennverfahren

Apparate zur thermischen Trennung von Gemischen können diskontinuierlich (absatzweise, im Chargenbetrieb, im Satzbetrieb) und kontinuierlich (stetig, stationär) betrieben werden.

Im folgenden sollen die beiden Betriebsformen kurz erläutert und ihre Vor- und Nachteile in Tab. 1-3 zusammengestellt werden.

Kontinuierlicher Betrieb:

Beim kontinuierlichen Betrieb wird das zu trennende Gemisch stetig in die TrennVorrichtung eingebracht, um dort stetig in zwei oder mehr Fraktionen zerlegt zu werden, die stetig die TrennVorrichtung verlassen.

Im kontinuierlichen Betrieb kann ein ideales Zweistoffgemisch in einer Trennkolonne mit Phasengegenstrom in die beiden nahezu reinen Komponenten zerlegt werden. Zur Trennung eines entsprechenden Gemischs mit k Komponenten werden k – 1 in Serie geschaltete Kolonnen benötigt.

Tab. 1-3. Vergleich der Betriebsformen kontinuierlich und diskontinuierlich bei der Lösung des gleichen Trennproblems.

Vergleichskriterien

Betriebsform

kontinuierlich

diskontinuierlich

Mathematische Beschreibung des Trennvorgangs, Modellierung

einfacher

Investitionskosten der Trennanlage

geringer

Betriebskosten der Trennanlage

geringer

Bedienbarkeit der Trennanlage

einfacher

Automatisierung des Trennprozesses

mit geringerem

Aufwand möglich

Beanspruchung der Anlagenteile

geringer

Umweltbelastung, Unfallgefahr

geringer

Betriebssicherheit, Flexibilität bei Ausfall von Teilen der Trennanlage, Sicherheitspuffer

höher

Flexibilität bei Umstellung auf andere zu zerlegende Gemische

besser

Diskontinuierlicher Betrieb:

Beim diskontinuierlichen Betrieb wird das zu trennende Gemisch in der Trennvorrichtung vorgelegt und über eine bestimmte „Chargenzeit“ definierten Trennbedingungen unterworfen, wobei im allgemeinen zwei Fraktionen unterschiedlicher Zusammensetzung entstehen. Eine Fraktion wird meist stetig der Trennvorrichtung entnommen, während die andere als Rest in ihr verbleibt und erst nach Ablauf der Chargenzeit aus ihr entfernt wird.

Der diskontinuierliche Betrieb gestattet – einstufig ausgeführt – eine nur unvollständige Gemischzerlegung. Die vorgenannten Fraktionen werden deshalb meist in Folgestufen separat weiterbehandelt (Fall der mehrstufigen diskontinuierlichen Trennung).

Umschalt- Wechselbetrieb:

Folgt in einem Trennapparat auf einen Beladevorgang (Gemischzerlegung) ein Entladevorgang (Regenerieren des Trennhilfsstoffs), so müssen mindestens zwei Trennapparate im Umschalt-Wechsel betrieben werden, wenn eine stetige Gemischzerlegung gewährleistet werden soll.

Bei der Adsorption aus der Gasphase (s. Kap. 4) nimmt z. B. festes Adsorbens in einem Behälteradsorber aus einem Gasgemisch Adsorptiv bis zur Beladegrenze auf. Ist diese erreicht, so muß der Adsorber aus dem Beladezyklus herausgenommen und ein zweiter Adsorber zugeschaltet werden. Das Adsorbens im beladenen Adsorber wird durch Dämpfen, Trocknen und Rückkühlen regeneriert und kann nach Abschluß dieses Regenerierzyklus erneut in den Beladezyklus eintreten.

1.3 Stoffbilanz, Energiebilanz, Exergiebilanz

Die verfahrenstechnische Auslegung von Trennanlagen beginnt im allgemeinen mit einer Bilanzierung der einzelnen Apparate und Teilanlagen bezüglich Stoffströmen und Energien, gekoppelt mit der schematischen Darstellung des Verfahrensablaufs in Form von Fließbildern.

1.3.1 Stoff-, Energie- und Wärmebilanz

Die Bilanzierung verfahrenstechnischer Systeme erfolgt nach dem in Abb. 1-6 vereinfacht dargestellten Ablaufschema.

Von den dort genannten Bilanzgrößen interessieren im Anlagenbau besonders Masse, Energie – meist in der speziellen Form von Wärme –, Enthalpie und Exergie zur Planung und Bewertung von Systemen und zu deren Analyse und Synthese.

Die Erhaltungssätze für Gesamtmasse, Gesamtenergie und Gesamtimpuls liefern dabei die Basis zur Erstellung der jeweiligen Bilanzgleichungen [1.1 bis 1.5, 1.145]. Sie lauten allgemein für ein offenes System:

Je nach Aufgabenstellung und Zweck sind integrale unddifferentielle Bilanzgleichungen zu erstellen:

differentielle, wenn es darum geht, Vorgänge in einem differentiellen Volumen- oder Phasengrenzflächenelement zu untersuchen,

und integrale zur Ermittlung der in das System ein- und austretenden Ströme.

Differentielle Bilanzgleichungen führen nach Lösung des entsprechenden Differentialgleichungssystems mit Randbedingungen zu Geschwindigkeits-, Konzentrations- bzw. Temperaturprofilen im System oder dessen Grenzflächen; integrale Bilanzgleichungen liefern die Basis für eine stoffliche und energetische System-Gesamtbewertung.

Abb. 1-6. Bilanzierung verfahrenstechnischer Systeme (vereinfachter schematischer Ablauf) [1.1].

Die Ergebnisse integraler Bilanzierungen werden häufig tabellarisch oder in Flußdiagrammen verdeutlicht (Produkt- und Energieschema, Mengen- und Wärmestrombild usw.).

Stoffbilanz

An Stoffbilanzen (Massen-, Mengen-, Materialbilanzen) sind die allgemeine oder Bruttostoffbilanz für die Gesamtmassen oder Gesamtmengen und die Bilanzen für einzelne Gemischkomponenten zu unterscheiden (Abb. 1-7). Mit den Bezeichnungen der Abb. 1-7 für das dort gekennzeichnete offene System folgt aus der allgemeinen Bilanzgleichung die integrale Gesamtmassenbilanz

Abb. 1-7. Bilanzierungsschema zur Ableitung der Bilanzgleichungen. BH Bilanzhülle, BR Bilanzraum.

(1-3)

Betrachtet man den stationären Betrieb (kontinuierliche Stoffzu- und -abfuhr ohne Berücksichtigung von An- und Abfahrvorgängen), so entfallen die Akkumulationsglieder und

Für die Einzelstoffbilanz der Komponente K gilt

(1-4)

In den Gl. 1-3 und 1-4 und in Abb. 1-7 bedeuten:

Zu- bzw. abströmender Massenstrom

i,

Massenanteil der Komponente

k

im Zu- bzw. Abstrom

i,

Intensität der im Bilanzraum vorhandenen Quellen bzw. Senken insgesamt und bezüglich Komponente

k.

und berücksichtigen z.B. die Teilnahme von k an chemischen Reaktionen. Wird k beispielsweise als Edukt in j Einzelreaktionen, die simultan im Bilanzraum ablaufen, verbraucht, so ist im Falle stationären Betriebs

(1-5)

mit

(1-6)

als der Äquivalent-Reaktionsgeschwindigkeit der Reaktion j, mit V als dem von der Reaktionsmasse erfüllten Teil des Bilanzraumes und vj,k als der stöchiometrischen Verhältniszahl von k in Reaktion j.

Für den Ansatz der Stoffbilanzgleichungen ist es häufig zweckmäßig, statt Massen und

Tab. 1-4. Umrechnungsbeziehungen zwischen Konzentrationsmaßen einer Gemischkomponente.

Massenanteilen andere Stoffstrom- und Konzentrationseinheiten zu verwenden. Tab. 1-4 liefert dann die notwendigen Umrechnungsbeziehungen.

Zur umfassenden Massenbilanzierung eines Bilanzraums mit stationär rein physikalisch ablaufenden Stoffumwandlungen ist ein Gleichungssystem bestehend aus Gleichung 1-3 und k–1 Gleichungen 1-4 aufzustellen, wenn k Komponenten im Bilanzraum zusammenwirken. Die k-te Gl. 1-4 liefert wegen der für die einzelnen Phasen geltenden stöchiometrischen Bedingung

(1-7)

keinen linear unabhängigen Beitrag mehr.

Verwendete Größen:

Zur Formulierung von Stoffbilanzgleichungen für differentielle Volumenelemente als Bilanzräume und zur Lösung der erhaltenen Differentialgleichungssysteme sei auf die spezielle Literatur verwiesen (siehe z. B. [1.1] und [1.3]).

Energie- und Wärmebilanz

Auf der Basis des Energieerhaltungssatzes läßt sich analog zur Stoffbilanzierung eine Energiebilanzierung für beliebig begrenzte Bilanzräume durchführen. Mit den Bezeichnungen von Abb. 1-7 ergibt sich beispielsweise für das dort gekennzeichnete stofflich und energetisch offene System folgende Energiebilanzgleichung

(1-8)

In sind dabei alle Energieformen wie potentielle und kinetische Energie, Bindungsenergie, Wärme usw. zu berücksichtigen.

In Gl. 1-8 bedeuten

über die Systembegrenzung zu- bzw.abgeführter Energiestrom,

mit dem Stoffstrom zu- bzw. abgeführter Energiestrom,

Intensität der im Bilanzraum vorhandenen Energiequellen bzw. -senken.

Im Anlagenbau genügt häufig eine Bilanzierung der Energieform Wärme. Aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik ergibt sich dann für den Bilanzraum in Abb. 1-7 die Enthalpie- bzw. Wärmebilanzgleichung

(1-9)

In Gl. 1-9 bedeuten:

h

i

, α h

i w

spezifische Enthalpie von Stoffstrom Zu- bzw. Ablauf,

zugeführter Fremdwärmestrom,

Verlustwärmestrom,

Intensität der im Bilanzraum vorhandenen Wärmequellen bzw. -senken.

und berücksichtigen im stationären Beharrungszustand Exo- bzw. Endothermie bei Phasenumwandlungen und chemischen Reaktionen. Laufen beispielsweise im stationär betriebenen Bilanzraum die oben beschriebenen k-verbrauchenden chemischen Reaktionen ab, so gilt

(1-10)

mit , als der auf k bezogenen Reaktionsenthalpie der Reaktion j, als der auf k bezogenen Gesamtreaktionsenthalpie, Uk als dem auf k bezogenen Gesamtumsatz und Mk als der molaren Masse von k ( > 0 für endotherme und < 0 für exotherme Reaktionen).

1.3.2 Exergiebilanz

Die Verteuerung der Primärenergien führt immer mehr dazu, daß bei der Kostenrechnung für Anlagen die Energiekosten gegenüber den Investitionskosten dominieren. Das Kostenoptimum eines Prozesses verschiebt sich in Richtung Minimum des Energieeinsatzes. Es ist daher erforderlich, die Energieausnutzung besonders bei Prozessen mit hohen ein- und umgesetzten Energieströmen zu untersuchen und durch entsprechende Maßnahmen zu optimieren.

Bei der Zusammenschaltung von wärmeverbrauchenden und wärmeliefernden Anlagenstufen kann häufig eine Einsparung von Kühl- bzw. Wärmeleistung durch die Anwendung der „Pinch-Technology“ [1.114] erreicht werden.

Zur Beurteilung der Energieausnutzung dienen energetische und besonders exergetische Prozeßanalysen. Exergie/Anergie-Flußbilder lokalisieren innere und äußere Irreversibilitäten und zeigen somit Entstehungsort und Ausmaß von Verlusten. Sie ermöglichen so eine thermodynamische Optimierung durch gezielte energetische Prozeßverbesserung.

Die Exergiebilanzgleichung für das stationäre offene System gemäß Abb. 1-7 lautet für den isobaren Betrieb

(1-11)

Es bedeuten:

Exergien der zu- bzw. abströmenden Energieströme bzw.

,

Exergien der Stoffströme , bzw.,

Zufließender Wärmestrom,

(1-12)

S

Entropie,

T

u

, h

u

, s

u

Temperatur, Enthalpie bzw. Entropie, bezogen auf den Umgebungszustand oder einen speziellen Systembezugszustand,

Exergieverlust durch Irreversibilitäten,

(1-13)

Weiteres über energetische und exergetische Analyse kann der Literatur entnommen werden [1.6 bis 1.9]. Literatur [1.10] gibt als Beispiel die exergetische Analyse einer Rektifizieranlage wieder.

1.3.3 Durchrechnung der Bilanzierungsgleichungen

Die Durchrechnung der Stoff-, Energie- und Exergiebilanzen für eine ganze Trennanlage erfolgt meist sequentiell von Apparat zu Apparat oder auch simultan durch iterative Lösung eines entsprechenden Gleichungssystems für den ganzen Trennprozeß. Hierzu ist es zunächst notwendig, aus dem Verfahrensfließbild der Anlage ein rechentechnisches Fließbild mit codierten Schnitt- und Verzweigungsstellen zu entwickeln, die Prozeßstruktur also grafisch darzustellen und mathematisch zu formulieren und nach Festlegung von Zahl und Größe der unabhängigen Systemvariablen die Bilanzgleichungen sequentiell zu lösen.

Zur Berechnung der Bilanzdaten mit Rechenanlagen [1.1, 1.11 bis 1.16] ist ein flexibles Programmsystem erforderlich. Ein als Organisationsprogramm dienendes Hauptprogramm steuert anhand vorgegebener Numerierungen den Rechenablauf und die Zuordnung von Verfahrensstufen, Stoffströmen und Rechenparametern. Es organisiert die Zwischenspeicherung der errechneten Massendurchsätze und Zustandsgrößen und deren Weitergabe als Eingangsgrößen für die Folgestufen. Mit angegliederten Unterprogrammen werden die Ausgangswerte für jede Stufe aufgrund von stufenspezifischen theoretischen oder empirischen ModellVorstellungen berechnet. Der Einbezug der Graphentheorie in die Bilanzierung erlaubt inzwischen auch wirtschaftliche Optimierungen durch z.B. Minimierung des Energieflusses [1.17] oder Optimierungen im Hinblick auf größtmögliche Betriebssicherheit [1.18].

Häufig ist es zweckmäßig, die Ergebnisse von Bilanzierungen für Einzelapparate, Verfahrenseinheiten, Gesamtanlagen und gegebenenfalls auch für einen Anlagenverbund übersichtlich und schnell überschaubar grafisch in Strombildern (Flußbilder, SANKEY- Diagramme) darzustellen.

1.4 Phasengleichgewichte

1.4.1 Allgemeine Begriffe

Bei der thermischen Trennung von Gemischen werden meist Wärme und Stoff(e) zwischen miteinander in Berührung gehaltenen Phasen als Bestandteile meist offener Systeme ausgetauscht. Dieser Wärme- und der resultierende Stoffaustausch sind dann beendet, wenn Gleichgewicht zwischen den Phasen erreicht ist, wenn sich das Phasengleichgewicht eingestellt hat.

Im folgenden werden für die Behandlung der einzelnen Phasengleichgewichte wichtige Begriffe und Gleichungen kurz zusammengestellt [1.20]:

Thermodynamisches System: Beliebige Menge Materie, die durch tatsächlich vorhandene oder auch nur gedachte Wände gegen ihre Umgebung abgegrenzt ist und deren Eigenschaften durch die Angabe thermodynamischer makroskopischer Zustandsvariablen eindeutig und vollständig beschrieben werden können.