Mechanische Verfahrenstechnik (Fach) / Vorlesung Stamminger WS 15/16 (Lektion)

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• Definition Verfahrenstechnik Durchführung von Verfahren im industriellen Maßstab mit dem Ziel, die innere Strukturund/oder die physikalischen oder chemischen Eigenschaften von Stoffen zu verändern.
• Definition Verfahrenstechnik II Die Verfahrentechnik ist eine Ingenieurwissenschaft  mit integrierendem Charakter, deren Gegenstand die industrielle Stoffwandlung zum Zwecke der wirtschaftlichen Nutzung unter Beachtung des Umweltschutzes ist.
• Differenzierungen der Verfahrenstechnik technologisch methodisch apparatetechnisch
• Gliederung jedes Verfahrens Rohstoff --> Teilsystem Stoffaufbereitung --> Teilsystem Stoffumwandlung --> Teilsystem Stoffnachbereitung --> Endprodukt + Energiezufuhr
• Verknüpfung von Verfahrensstufen Reihenschaltung Parallelschaltung Rückkopplungsschaltung
• Durch was werden die Grundoperationen bestimmt? Eigenschaften des Stoffes (des LM) Art des Energietransportes zu übertragene Energiemenge und -form
• Eigenschaften von Stoffen (LM) mechanischer Art (Masse, Dichte, Partikelgröße, Zähigkeit, ...) thermischer Art (spezifische Wärme, Umwandlungsenergie, ...) elektromagnetischer Art (Ladung, Magnetismus, ...)
• Systematisierung der Grundoperationen mechanische Grundoperationen thermische Grundoperationen elektrisch-magnetische Grundoperationen Alle Prozesse der Stoffformung, Stoffvereinigung und Stofftrennung lassen sich in dieses System einordnen.
• Kennzeichen von Stoffen feste Stoffe: jeder fester Körper hat ein bestimmtes Volumen und eine bestimmte Gestalt, die einer Veränderung große Kraft entgegensetzen flüssige Stoffe: Widerstand gegen Volumenänderung ist groß, aber der Widerstand gegen eine Gestaltsveränderung ist praktisch Null; Flüssigkeiten passen sich der Form des Gefäßes an gasförmige Stoffe: ein gasförmiger Stoff hat kein bestimmtes Volumen und keine bestimmte Gestalt, sondern füllt jeden noch so großen Raum beliebiger Gestalt vollkommen aus
• Scherung und Schubspannung Eine Schubspannung wirkt tangential zu der Ebene, an der sie angreift. Der Körper erfährt dabei eine Scherung. Als Maß der Scherung dient der Winkel γ
• Kompression Bei elastischen Verformungen können Volumenänderungen auftreten. Wirkt auf den Körper eine Druckspannung --> Körper wird komprimiert Wirkt auf den Körper eine Zugspannung --> Körper wird aufgebläht Flüssigkeiten sind nahezu inkompressibel, Gase sind kompressibel
• statischer Druck in Flüssigkeiten in ruhenden Flüssigkeiten und Gasen herrscht ein statischer Druck pstat = pk + ps         = Kolbendruck (F/A) + Schweredruck (ρgh)
• Archimedisches Prinzip Die Auftriebskraft auf einen Körper in einer Flüssigkeit ist dem Betrag nach gleich der Gewichtskraft der vom Körper verdrängten Flüssigkeit Die Auftriebskraft ist der Gewichtskraft des Körpers entgegen gerichtet FA = ρF * g * V FA = FG     der Körper schwebt FA < FG    der Körper sinkt FA > FG    der Körper steigt
• laminare Strömung Die einzelnen Fluidschichten gleiten – meist mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ‐ parallel aneinander vorbei. Keine Durchmischung Beispiele: langsame Luftströmungen, Blutkreislauf, Umströmung stromlinien‐förmiger Körper
• turbulente Strömung Eine gänzlich ungerichtete Bewegung überlagert die Strömung. Starke Durchmischung durch Wirbelbildung Beispiele: Strömungen in engen Wasserrohren und hinter Brückenpfeilern
• Reynoldszahl v * d * ρ / η Trägheitskraft / Zähigkeitskraft
• STOKES'sches Reibungsgesetz FG + FA + FR = 0
• Betriebsweise von Reaktoren diskontinuierlich Einbringen des Reaktionspartners Ablaufen der Reaktion Entfernen der Reaktionsmasse kontinuierlich Reaktionspartner zusammenführen Ablaufen der Reaktion Reaktionsprodukte weiterleiten
• Spezifische Oberfläche In vielen Anwendungsfällen wird eine Produkteigenschaft nicht direkt durch einePartikelgrößenverteilung gekennzeichnet, sondern man verwendet eine aus derPartikelgrößenverteilung abgeleitete Größe, wie z.B. die spezifische Oberfläche. Volumenbezogene (volume related) Oberfläche SV:Verhältnis von Oberfläche S eines Partikels zu seinem Volumen V Massenbezogenen (mass related) Oberfläche Sm:Verhältnis der Oberfläche S eines Partikels zu seiner Masse m
• Mechanische Grundprozesse Klassieren Sortieren Sedimentieren Filtrieren Zentrifugieren Flotieren Magnetabscheiden Elektroabscheiden
• Klassieren Trennung eines Haufenwerkes (Partikelkollektiv) in unterschiedliche Korngrößenzusammensetzungen
• Sortieren Trennung von Partikelkollektiven nachstofflichen Gesichtspunkten(physikalische Eigenschaften)
• Sedimentieren Trennung der dispersen Phase vonder kontinuierlichen Phase durchSchwerkraftwirkung
• Filtrieren Trennung von Partikeln aus mindestenseiner flüssigen und/oder gasförmigenPhase mittels durchlässiger Schi
• Zentrifugieren Trennung von makroskopisch bzw.mikroskopisch heterogenenSystemen im Zentrifugalfeld
• Flotieren Trennung von Feststoffen aus einerflüssigen Phase mittels Gasblasen
• Magnetabscheiden Trennung von geladenen Partikeln immagnetischen Kraftfeld
• Elektroabscheiden Trennung von geladenen Partikeln imelektrischen Kraftfeld
• Trenngrad Zur Charakterisierung einer Trennung benötigt man noch den Trenngrad. Er gibt an, welchen Anteil einer Aufgabegut-Fraktion oder -Korngröße nach dem Klassieren im Grobgut enthalten ist. Prinzipiell lässt sich eine beliebige Partikelgröße zwischen du und do alsTrenngrenze (Trennkorngröße dt) definieren.
• Prinzip Tellerzentrifuge schwere Phase wird durch Zentrifugalkraft an die Unterseite der Teller gedrückt leichtere Phase (z.B. Fetttröpfchen) sammeln sich auf der Telleroberseite
• Siebklassieren / Sieben Trenneffekt erfolgt durch semipermeable Trennflächen (Siebe) mitfestgelegten Maschenweiten Siebklassieren• ist die Trennung von Partikeln nach der Größe mit mechanischen Mitteln• das Trennmerkmal ist die geometrische Form der Partikeln.• die Partikeln, die das Sieb passieren, bezeichnet man als Durchgang D, die zurückgehaltenen Partikeln als Rückstand R.• ob und mit welcher Durchtrittswahrscheinlichkeit ein Partikel durch eine Sieböffnung fällt, hängt vor allem vom Verhältnis der Partikelgröße d zur Maschenweite w ab.
• Sortieren Sortieren ist definitionsgemäß die Trennung von Partikelkollektiven nachstofflichen Gesichtspunkten (physikalischen Eigenschaften wieDichte, magnetische Suszeptibilität, elektrische Leitfähigkeit u.a.) Dichtesortieren Magnetabscheiden Elektroabscheiden
• Erklären Sie das Prinzip der Elektrodialyse Membrantrennprozess Ionenaustausch-Membran besitzt ein Polymergerüst mit ortsfesten ionischen Gruppen und beweglichen Gegenionen Selektivität beruht auf der Abweisung von Ionen Der Stofftransport der Gegenionen in der Membran erfolgt durch Platzwechselvorgängen an den Festionen des Polymergitters elektrochemisch getriebener Membranprozess, in dem Ionenaustauschermembranen in Kombination mit einer elektrischen Potentialdifferenz benutzt werden, um ionische Spezies von ungeladenen Lösungsmitteln oder Verunreinigungen abzutrennen.
• Dead-end-Filtration klassische Form der Filtration Feedstrommit möglichst niedrigem Druckgegen die Membran gepumpt Durch den permanenten Abfluss des Permeats reichert sich ein Filterkuchenoder ein Konzentrationsgradient (Konzentrationspolarisation) aus den abzutrennenden Feststoffpartikeln auf der Membran an. Der Filterkuchen erhöht den Filtrationswiderstand und damit den Druckverlust über die Membran. er muss regelmäßig entfernt werden
• Cross-Flow-Filtration die zu filtrierende Suspension wird mit einer hohen Geschwindigkeit parallel einer Membran oder eines Filtermediums gepumpt und das Permeat quer zur Fließrichtung abgezogen Durch die hohe Geschwindigkeit wird vermieden, dass sich ein Filterkuchen aus den abzutrennenden Feststoffpartikeln auf der Membran aufbauen kann. Während bei gewöhnlichen Filtern die abzuscheidenden Feststoffe als Filterkuchen gewonnen werden, kann in der Querstromfiltration der Feststoff nur soweit aufkonzentriert werden, dass die Suspension noch pumpbar ist. Das Filtrat ist in beiden Fällen frei von Feststoffen.
• Membranmodule Plattenmodule Röhrenmodule Kapillarmodule Hohlfasermodule
• Flotation Prozessziel:Besteht in einer möglichst maximalen Feststoffaustragung beiminimalem Energieaufwand von Feststoffpartikeln aus Flüssigkeiten. Wirkprinzip:• Die Feststoffpartikeln koppeln sich an die im Turbulenzfeld erzeugtenfeinverteilten Gasblasen (< 2 mm) und werden so aus der flüssigen Phase abgeschieden.• Teils verwendet man Tenside, um stabile Gasblasen zu erzeugen.
• Grundlagen Flotation Infolge großer spezifischer Oberflächen (bei kleinen Partikeln) tretenGrenzflächeneigenschaften  stark hervor:Grenzflächenaktive Stoffe werden an die Oberfläche der Teilchen adsorbiert. dadurch erhalten die Teilchen einen hydrophoben Charakter (sonst sind sie eher hydrophil) Die Teilchen sind bestrebt, die für einen hydrophilen Feststoff günstige Grenzfläche fest/flüssig mit einer nunmehr hydrophoben Eigenschaft angepassten Grenzfläche fest/gasförmig zu tauschen. Die Folge ist das Anhaften an Bläschen fein verteilt eingeblasener Luft. Die Teilchen steigen zusammen mit der Luftblase nach oben.
• Dreiecksdiagramm Die drei beteiligten Stoffe sind:1. der extrahierbare Anteil (component) C2. der Trägerstoff oder Abgeber T3. das Lösungsmittel (solvent) S Jeder Zustand eines Dreikomponentengemisches lässt sich durch einen Punkt im Dreiecksdiagramm beschreiben Die Ecken des gleichseitigen Dreiecks stellen die reinen Stoffe dar, die Seiten ein Zweistoffgemisch Die Fläche des gleichseitigen Dreiecks kann ich zwei Gebiete aufgeteilt werden: in einem liegen die homogenen (stabilen) Gemische (oberhalb), im anderen die heterogenen Gemische, die sich in zwei Phasen auftrennen (unterhalb) Grenzlinie zwischen homogenem und heterogenem Gemisch: Löslichkeitskurve, Binode, Sättigungsisotherme heterogenes Gebiet (unterhalb der Binode): Löslichkeitslücke In diesem Bereich trennt sich ein Gemisch entsprechend der Konode, auf der es liegt, in zwei nicht miteinander mischbare Phasen E und R mit unterschiedlicher Konzentration an C auf Die Zusammensetzung dieser beiden Phasen wird durch die Schnittpunkte der jeweiligen Konode mit der Binode beschrieben. E ist der lösungsmittelreiche Extrakt, R das lösungsmittelarme Raffinat Konoden werden experimentell bestimmt, ihre Anzahl ist unendlich
• Schwarzreinigung Siebseparator mit verschiedenen Siebarten: Abtrennung von großen und kleinen Fremdbestandteilen wie Schmutz, Spreu o.ä. von den Getreidekörnern (Trennkriterium: Dicke und Breite des Korns) Siebsichter: Abtrennen von leicht schwebenden Fremdbestandteilen wie Spreu (Trennkriterium: Schwebegeschwindigkeit der Teilchen) Magnetabscheider: Abtrennen von Eisenteilchen (Trennkriterium: Ferromagnetismus der Teilchen) Aspirateur: Der Aspirateur reinigt das Getreide, indem er leichtereTeile mit Luft absaugt und schwerere Teile, die größer als 5 mm oderkleiner als 2 mm sind - also außerhalb der Grenzen von Getreide -mit Hilfe von Rund- und Schlitzloch -Schwingsieben entfernt. Trieur: Abtrennen von Unkrautsamen und artfremden Sämereien(Trennkriterium: Form und Größe und Dichte der Teilchen) Trockensteinausleser: Abtrennen von Steinen und schwerenFremdbestandteilen gleicher Größe (Trennkriterium: Dichte derTeilchen)
• Dispergieren Herstellen eines dispersen Systems, ohne dabei einen Hinweis auf die Art des Stoffsystems oder die Art der Herstellung zu geben
• Suspendieren Verteilen von festen Partikeln in einer flüssigen Phase Herstellung einer möglichst stabilen annähernden Gleichverteilung der dispersen Phase Grundprinzip: Herstellung eines Gleichgewichtes zwischen Strömungs- und Schwerkraft Die Aufrechterhaltung des Gleichgewichtszustandes wird erreicht durch mechanische Verfahren kolloidchemische Verfahren Es lassen sich folgende Zustände unterscheiden unvollständige Suspension vollständige Suspension homogene Suspension Ziel: Teilchen sollen in der Schwebe gehalten werden, was umso besser gelint, je größer die Re-Zahl ist
• Emulgieren Dispersionen zweier flüssiger Phasen, wobei die disperse Phase nicht oder nurbegrenzt löslich ist. Emulsionen sind Dispersionen, die in der Regel durch kolloidchemische Effekte zeitlich begrenzt stabil sind Dies wird um so besser erreicht, je größer die spezifische Oberfläche derdispersen Phase ist (gilt auch für Homogenisieren!). Das ist gleichbedeutendmit einem möglichst kleinen Sauterdurchmesser. Sauterdurchmesser stellt die der spezifischen Oberfläche des gesamten Partikelkollektivs entsprechende mittlere Kugelgröße dar
• Homogenisieren Feinstverteilung zweier flüssiger nicht oder nur begrenzt löslicher Phasen. Stabilität wird durch extreme Vergrößerung der spezifischen Oberfläche erreicht (geringe/keine Beweglichkeit der kleinen Tröpfchen --> keine Agglomeration zu größeren Tröpfchen möglich) z.B. Feinverteilung von Fetttröpfchen bei Milch durch Pressen durch enge Drüsen hohe Drücke nötig! (T- und p-abhängig!)
• Welche drei grundsätzlichen Mischungszustände unterscheidet man? vollständige Mischung ideale Homogenität stochastische Homogenität (gleichmäßige Zufallsmischung)
• Emulgieren: 2 Typen von Emulsionen Wasser in Öl-Emulsion Öl in Wasser-Emulsion Meist liegen im Wasser hydrophile Stoffe, wie Salze und Zucker und im Ölhydrophobe Stoffe, wie Kohlenwasserstoffe vor. Die Eigenschaften der Emulsionen werden durch die äußere Phasebestimmt. Emulgiereffekt wird weitgehend von den Stoffwerten Dichte, Grenzflächenspannung, Zähigkeit und Volumenanteil der dispersen Phase bestimmt
• Emulgatoren Bei Mischung zweier mischbarer Flüssigkeiten tritt keineEnthalpieänderung auf (oder Verringerung). Jedoch beim Mischen zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten wird eineGrenzflächenenergie aufgebaut, die zu einer positiven Enthalpieänderungführt. Somit ist es möglich, durch Erniedrigung der Grenzflächenspannung zu einem stabilen Emulsionszustand zu kommen. Dies erreicht man durch Tenside (Emulgatoren). Emulgatoren reichern sich an der Grenzfläche an.> Grenzflächenspannungserniedrigung> Verteilung der Emulgatoren in beiden Phasen Daraus folgt, dass bei richtiger Wahl der Emulgatoren ein System aus zweikolloiden Flüssigkeiten gebildet wird, in denen die Bestandteile derGesamtzusammensetzung vertreten sind, jedoch mit unterschiedlichemMengenanteil.Die Phasen können auf diese Weise miteinander angeglichen werden.
• Kneten Kombination aus Mischen und Strukturänderung Kneten ist das Herbeiführen von Stukturänderungen komplexer Stoffsystemedurch Scherspannungsfelder. --> während des Knetvorganges verändern sich die Eigenschaften des Stoffsystems

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