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Thermische Trennverfahren: Grundlagen, Auslegung, Apparate, 3rd, Revised and Enlarged Edition

Thermische Trennverfahren: Grundlagen, Auslegung, Apparate, 3rd, Revised and Enlarged Edition

Klaus Sattler

ISBN: 978-3-527-30243-7

Mar 2002

708 pages

$330.00

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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 8

1.3.1 Stoff-, Energie- und Wärmebilanz 8

1.3.2 Exergiebilanz 12

1.3.3 Durchrechnung der Bilanzierungsgleichungen 13

1.4 Phasengleichgewichte 13

1.4.1 Allgemeine Begriffe 13

1.4.1.1 Allgemeine Differentialgleichung für das Gleichgewicht zweier Phasen 17

1.4.1.2 Gibbssches Phasengesetz (Phasenregel) 18

1.4.2 Phasengleichgewicht Flüssigphase-Flüssigphase 19

1.4.2.1 Nernstscher Verteilungssatz 19

1.4.2.2 Darstellung des Phasengleichgewichts Flüssigphase-Flüssigphase 23

1.4.3 Phasengleichgewicht Gasphase-Flüssigphase 29

1.4.3.1 Einkomponentensysteme 29

1.4.3.2 Zwei- und Mehrkomponentensysteme 30

1.4.3.3 Henrysches Gesetz, Gaslöslichkeit 47

1.4.3.4 Siedegleichgewicht von Feststofflösungen, Dampfdruckerniedrigung, Siedepunktserhöhung 59

1.4.4 Phasengleichgewicht Gasphase-Festphase 61

1.4.4.1 Phasengleichgewicht Gasphase-Festphase bei der Sublimation 61

1.4.4.2 Phasengleichgewicht Gasphase-Festphase bei Adsorption/Desorption und konvektiver Feststofftrocknung (Adsorptionsgleichgewicht) 62

1.4.5 Phasengleichgewicht Flüssigphase-Festphase 69

1.4.5.1 Löslichkeit fester Stoffe in flüssigen Lösungsmitteln 69

1.4.5.2 Schmelzdruckkurve 72

1.4.5.3 Gefrierpunktserniedrigung 73

1.4.5.4 Zustandsdiagramme binärer Systeme mit fester und flüssiger Gleichgewichtsphase 74

1.4.6 Enthalpie des Phasenübergangs 75

1.5 Trennfaktor, relative Flüchtigkeit 75

1.6 Mindesttrennarbeit 77

1.7 Grundzüge des Stofftransports 78

1.7.1 Stofftransport durch molekulare Diffusion 78

1.7.1.1 Stationäre Diffusion 78

1.7.1.2 Instationäre Diffusion 79

1.7.1.3 Diffusionskoeffizient 79

1.7.2 Stofftransport durch Konvektion 79

1.7.3 Stoffdurchgang 87

1.7.3.1 Zweifilmtheorie, Stoffdurchgangskoeffizient, Turbulenztheorien 88

1.8 Stationäre Gleichstromoperationen 90

1.9 Stationäre Gegenstromoperationen 92

1.9.1 Theorie der Trennstufen 93

1.9.2 Verfahren zur Bestimmung der Zahl der theoretischen Trennstufen von Gegenstromkolonnen 95

1.9.3 Berechnung von Gegenstromkolonnen 102

1.9.3.1 Mengenbilanzen 105

1.9.3.2 Phasengleichgewichtsbeziehungen 105

1.9.3.3 Enthalpiebilanzen 105

1.9.3.4 Stöchiometrische Bedingungen für die Konzentrationssummen jeder Gleichgewichtsstufe 105

1.9.4 Kinetische Theorie der Gegenstromgemischzerlegung 106

1.9.4.1 Stofftransport in beiden Richtungen zwischen den Phasen 106

1.9.4.2 Stofftransport in einer Richtung 108

1.10 Stationäre Kreuzstromoperationen 111

1.11 Allgemeine Vorgehensweise bei der Auslegung von Einrichtungen zur thermischen 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 125

2.2.2 Kontinuierlich betriebene einfache Destillation 129

2.2.3 Wärmebedarf einfacher Destilliereinrichtungen 133

2.2.4 Entspannungsdestillation 136

2.3 Trägerdampfdestillation 137

2.4 Destillation unter Vakuum. Molekulardestillation 140

2.5 Gegenstromdestillation (Rektifikation) 145

2.5.1 Verfahrensvarianten der Rektifikation 148

2.5.1.1 Kontinuierlich betriebene Rektifikation in Rektifizierkolonnen mit Verstärkungsteil und Abtriebsteil 149

2.5.1.2 Reine Abtriebskolonne 151

2.5.1.3 Reine Verstärkungskolonne 151

2.5.1.4 Trennwandkolonne 151

2.5.1.5 Trägerdampfrektifikation 153

2.5.1.6 Kombination verschiedener Varianten 154

2.5.1.7 Rektifikation mit Hilfsstoff 154

2.5.1.8 Heteroazeotroprektifikation 165

2.5.1.9 Zweidruckverfahren 166

2.5.2 Kontinuierliche adiabate Rektifikation 177

2.5.2.1 Mengenströme 177

2.5.2.2 Wärmebedarf der Kolonne 180

2.5.2.3 Maßnahmen zur Energieeinsparung 180

2.5.2.4 Festlegung von Trennstufenzahl und wärme- und stoffaustauschender Kolonnenhöhe 194

2.5.2.5 Mindestrücklaufverhältnis, wirtschaftlich optimales Rücklaufverhältnis 200

2.5.2.6 Zulaufstufe 202

2.5.3 Diskontinuierliche adiabate Rektifikation 202

2.5.3.1 Kopfproduktmenge 204

2.5.3.2 Wärmebedarf 204

2.5.3.3 Blasendurchmesser, freie Dampf raumhöhe, Kolonnendurchmesser 206

2.5.3.4 McCabe-Thiele-Verfahren zur Bestimmung der Zahl der theoretischen Trennstufen 206

2.5.4 Halbkontinuierliche adiabate Rektifikation 207

2.5.5 Festlegung des Kolonnendurchmessers 207

2.5.6 Einbauten von Rektifizierkolonnen 208

2.5.6.1 Kolonnenböden 212

2.5.6.2 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 294

2.10.1 Teilkondensation aus Dampfgemischen 294

2.10.2 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 313

3.1.2 Verfahrensbeispiele 314

3.2 Anforderungen an das Wasch-bzw. Lösungsmittel, Lösungsmittelbedarf 335

3.3 Enthalpie- bzw. Wärmebilanz 338

3.4 Absorption im Phasengleichstrom und im Phasenkreuzstrom 339

3.5 Absorption im Phasengegenstrom, Auslegung von Gegenstromkolonnen 342

3.5.1 Festlegung des Kolonnenquerschnitts 342

3.5.2 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 381

4.1.2 Verfahrensweise, Verfahrensbeispiele 382

4.2 Adsorbentien, Adsorbensauswahl 398

4.2.1 Adsorbentien 398

4.2.2 Anforderungen an Adsorbentien, Adsorbensauswahl 401

4.2.3 Technische Adsorbentien, Kenndaten von Adsorbentien 401

4.3 Kinetik der Adsorption 401

4.4 Varianten der Adsorption, Auslegung von Adsorbern 410

4.4.1 Einstufige Adsorption im Behälteradsorber mit Adsorbensfestbett 410

4.4.2 Mehrstufige Adsorption im Kreuzstrom von Abgeber- und Adsorbensphase . . . 417

4.4.3 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 458

5.6.1 Trockengas-und Wärmebedarf bei der Konvektionstrocknung 458

5.6.2 Maßnahmen zur Energieeinsparung 461

5.6.3 Varianten der Konvektionstrocknung 463

5.7 Kontakttrocknung (konduktive Trocknung) 466

5.8 Strahlungstrocknung 471

5.9 Hochfrequenztrocknung 472

5.10 Gefriertrocknung 473

5.11 Bauformen von Trocknern 477

5.11.1 Übersicht über die Trocknerbauformen, Auswahl, Auslegung 477

5.11.2 Einzeldarstellung ausgewählter Trocknerbauformen mit Auslegungshinweisen. . 485

5.11.3 Regelung von Trocknern 519

6 Extraktion 523

6.1 Erläuterung des Begriffs und Verfahrensweise 523

6.2 Flüssig-Flüssig-Extraktion 530

6.2.1 Einsatzbereiche und Verfahrensbeispiele 530

6.2.2 Anforderungen an das Lösungsmittel, Lösungsmittelauswahl 534

6.2.3 Varianten der Flüssig-Flüssig-Extraktion 539

6.2.3.1 Einfache einstufige Extraktion 539

6.2.3.2 Differentielle absatzweise Extraktion 541

6.2.3.3 Mehrstufige Kreuzstromextraktion 542

6.2.3 A Mehrstufige Gegenstromextraktion 545

6.2.3.5 Gegenstromextraktion mit Extraktrücklauf 560

6.2.3.6 Gegenstromverteilung 562

6.2.4 Bauformen von Extraktionsapparaten 563

6.2.4.1 Mischer-Abscheider, Mischer-Abscheider-Batterie 564

6.2.4.2 Gegenstromkolonnen ohne und mit Energiezufuhr 565

6.2.5 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 626

7.2.1 Konzentrierung von Lösungen durch Eindampfung 628

7.2.1.1 Einstufige Lösungseindampfung 628

7.2.1.2 Mehrstufige Lösungseindampfung 629

7.2.1.3 Lösungseindampfung unter Einbezug der mechanischen und thermischen Brüdenverdichtung 634

7.2.1.4 Mehrstufige Entspannungsverdampfung 640

7.2.1.5 Bauformen von Verdampfern zur Eindampfung von Lösungen 643

7.2.2 Bilanzierung von Kristallisatoren 643

7.2.2.1 Kristallisatertrag 643

7.2.2.2 Bei der Kristallisation zu- oder abzuführende Wärme 649

7.2.3 Kristallisationskinetik, Kristallkeimbildung, Kristallwachstum 651

7.2.4 Bauarten von Kristallisatoren für die Massenkristallisation aus Lösungen 654

7.2.5 Hinweise zur Auswahl und Auslegung von Kristallisatoren 661

7.2.6 Ausfrieren 662

7.2.7 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