Chemische verfahrenstechnik
CHEMISCHE VERFAHRENSTECHNIK
beschäftigt sich mit einzelnen Verfahrensschritten, die zur Durchführung eines chemischen Prozesses erforderlich sind.
Unit Operation: Verfahrensschritte, Grundtechniken
Beispiel: Kaffeemaschine
→Bohnen zerkleinern
→verdampfen
Temp- →Extraktion der Aromastoffe
messung →Filtration
→Level-, Niveaumessung oder Füllstandsmessung
Erwärmen
Mechanische Verfahrenstechnik: Wärme spielt keine Rolle
Zerkleinern: (Brechen)
Trennen: Fest/Flüssig-Trennung: Filtrieren, Zentrifugieren, Sedimentation
Fest/Fest-Trennung: Sieben, Magnetsortieung
Mischen: Feststoffe
Rühren: Flüssigkeiten
Thermische Verfahrenstechnik:
Erwärmen: Wärmelehre
Verdampfen: Erreichen des Siedepunkts
Kondensieren
Trocknen: es kommt zu einer Austrocknung durch Verdunstung
Extrahieren: Flüssig/Flüssig mit Lösungsmittel; Fest/Flüssig (Kaffee)
Destillieren: Trennung von Flüssigkeiten unterschiedlicher Siedepunkte
Rektifizieren: Mehrere Destillationsstufen
Absorbieren: Eine Flüssigkeit nimmt gasförmige oder feste Bestandteile auf (Rauchgaswäsche)
Adsorbieren: Ein Feststoff nimmt einen flüssigen oder gasförmigen Stoff auf (Aktivkohle
wegen großer Oberfläche)
MESS- UND REGELTECHNIK
Meßsensoren messen Drücke, Temperaturen... und Regelsysteme regeln diese.
Wenn ein Niveau überschritten wird, wird die Heizung abgestellt Computergesteuert.
Entwicklung eines Verfahrens:
Labormaßstab: welches man im Kleinstmaßstab zu simulieren versucht
Halbtechnischer Maßstab: in einer Technikumanlage. Scale up: 1 kg auf 1000 kg
Sagt aus ob ein Produkt produzierbar ist ober produzierbar wird.
Produktionsmaßstab: Laborerfahrung wird umgesetzt.
STRÖMUNGSLEHRE: HYDRO- & AERODYNAMIK
behandelt Gleichgewichts- & Bewegungsgesetze von Flüssigkeiten und Gasen. Im einzelnen kann man unterscheiden:
STATIK: die Gesetze der Ruhe
DYNAMIK: die Gesetze der Bewegung
FLUIDE: sind fließfähige Stoffe: Gas, Flüssigkeit, Feststoff( Mehl, Sand..
)
DICHTE: Masse eines Stoffes pro Volumseinheit: abhängig von Druck & Temp.
Flüssigkeit: Druck gering, Temperatur hoch
Gase: Druck & Temperaturabhängig
Flüssigkeitsausdehnung:
ΔV ΔV = V0*β*ΔT β....Raumausdehnungskoeffizient [1/K; 1/°C]
V0
↑ T+
Gase: pV=nRT R.
..individ. Gaskonstante: Ist die Energie die 1 kg Stoff je Grad Temperaturerhöhung bei
gleichbleibendem Druck nach außen abgeben kann. [J/kgK]
KOMPRESSIBILITÄT:
Flüssigkeiten: inkompressibel, in Rohrleitungen spricht man von inkompressiblen Rohrströmungen
Gase: kompressibel, komprimierbar
p1*V1=p2*V2=konst.
Boyle-Mariotte’sches Gesetz
Gase sind komprimierbar.
Strömt es in einer Rohrleitung mit konst. Geschwindigkeit und Druck, dann ist diese Strömung inkompressibel. Druck und Volumen ändern sich hier nicht. Die Geschwindigkeit trägt zum Druck bei. Bei gleichbleibender Geschwindigkeit ändert sich auch der Druck nicht.
STATIK
Befindet sich ein System in Ruhe, wirken darauf nur Druckkräfte.
Hydrostatischer Druck: PGES (Gesamtdruck)
ist die Gesamtheit auf ein Fluid wirkender Drücke.
Der Außendruck pflanzt sich auf das ganze System fort→konst.
Der Schweredruck errechnet sich: P=ρ*g*h
Je höher die Wassersäule über der Meßstelle ist, desto größer ist der Schweredruck. Er hängt also von
der darüber liegenden Wassersäule ab. Egal ob schmal oder breit, nur die Höhe ist entscheidend.
PGES=p0+ρ*g*h
Kommunizierende Röhren:
P01 = P02 P01 = P02 P01 > P02
z z2 z2-z
z=z2
Die leichtere Dichte und Wenn man Außen-
Flüssigkeit wird Außendruck druck ändert
von der schweren gleich
angehoben.
Auftrieb: FA = ρF*g*V Der Auftriebskraft entgegen wirkt die Gewichtskraft
FK = (ρK-ρF)*g*V Klammer negativ: Körper schwimmt auf
DYNAMIK
Strömungsgeschwindigkeit: Charakterisiert einen Strömungszustand (=Zeitliche Änderung der Strömungsgeschwindigkeit ist der Strömungszustand.)
Am Rand ist die Geschw. am kleinsten, aufgrund der Reibung
ω → ω=0 m/s
Strömungsprofil
Strömungsvorgang:
Stationäre Strömung: Strömungsgeschwindigkeit ω ist konstant
Instationäre Strömung: Strömungsgeschwindigkeit ω ist Funktion der Zeit
z.B. Behälter der ausfließt, Hydrostat. Druck wird kleiner)
Wirtschaftl.
Strömung: So gewählt, daß bei konst. Geschwindigkeit die Wirtschaftlichkeit gegeben ist.
Die Reibung an Rohrwand muß klein sein.
TRANSPORT VON FLUIDEN: Bei Flüssigkeiten abhängig von Viskosität.
Bei Gasen abhängig vom Druck (Richtwert 10-30 m/s)
Der Durchmesser eines Rohres ist genormt: DN 80 Zahlenwert in mm (4-4000)
Hoher Druck→Stärkere Wandbreite, Stärkeres Material
Beispiel: DN 80 → 82,5 mm Innendurchmesser, VPunkt=26m3/h Wasser
Ges: ω
26:3600 → VPunkt = 0,0072 m3/s ; r = 41,25 mm → 0,04125 ; A = r2π → 0,005345616 m2
ω = VPunkt / A → ω = 1,35 m/s
Kontinuitätsgleichung: (Durchflußgleichung) Bei stationärer Strömung bleibt der Volumsstrom konstant, V=konst. Das Volumen welches pro Zeiteinheit in das Rohr eintritt, tritt auch pro Zeiteinheit wieder aus.
Wenn A kleiner wird muß Strömungsgeschw. steigen.
Beispiel:
DN 80 DN 50 d1=82,5mm=0,0825m; d2=54,5mm=0,0545m
VPunkt=12 l/s → 0,012m3/s
Ges:ω1, ω2 A1=0,005345 m2 ; A2= 0,002332 m2
ω1=2,24m/s ω2=5,14m/s
BERNOULLIGLEICHUNG: Eine im System steckende Energie ist konstant ω1GES = ω2GES
Energie im Fluid setzt sich zusammen aus:
Lageenergie(EPOT): m*g*z1(Höhe)
Druckenergie: m/ρ *p1
Bewegungsenergie(EKIN): m* ω12/2
m*g*z1+ m/ρ *p1+ m* ω12/2 = m*g*z2+ m/ρ *p2+ m* ω22/2
BERNOULLIGLEICHUNG: g*z+p/ρ+ω2/2 = konst.
gilt nur für ideale Flüssigk.
Beispiel: Venturidüse
d1=80 mm, d2=60 mm, Druckunterschied ∆p=500 Torr = 66661,2 Pa
g*z+p/ρ+ω2/2=konst. (g+z kann man weglassen)
VPunkt= ? p1/ ρ+ω12/2 = p2/ ρ+ω22/2 / -p2/ ρ
p1/ ρ - p2/ ρ + ω12/2 = ω22/2 → 66661,2/1000 + ω12/2= ω22/2
VP=A1*ω1=A2*ω2=konst.
→ ω1=A2/A1*ω2
66,6612+(A2/A1*ω2)2/2=ω22/2
A1=0,0050265m; A2=0,0028274m
ω2=13,9654 m/s VP=ω2*A2= 0,039,5m3/s→39,5 l/s
Druckmessung: Piezorohr, Pitotrohr
VISKOSITÄT (Zähflüssigkeit)
wird durch innere Reibungskräfte hervorgerufen. Bei idealen Flüssigkeiten treten diese Reibungskräfte nicht auf, bei realen muß man sie beachten. Viskosität ist ein Maß dafür wie groß die Kraft ist um Flüssigkeitsschichten zu verschieben. Durch Adhäsionskräfte(Haftkräfte) wird an der Rohrwand die Geschwindigkeit gleich null. Die Fluide setzen der gegenseitigen Verschiebung einen Widerstand entgegen, der durch den Impulsaustausch der Moleküle hervorgerufen wird und als innere Reibung bezeichnet wird. Viskosität ist ein Maß für die innere Reibung.
Zähflüssige Stoffe haben eine hohe Viskosität.
Dynamische Viskosität (η): leitet sich von der Kraft ab die notwendig ist, um zwei Flüssigkeitsschichten gegeneinander zu verschieben.
A F Ein Geschwindigkeitsprofil liegt vor. Geschw. nimmt am Rand ab.
y ω X
F.
..Kraft die man braucht um die Schichten zu verschieben
η...dynamische Viskosität (Stoffkonstante) [Pas]
A.
..Fläche
∆ωX...Änderung der Fließgeschwindigkeit
Beispiele für η: Luft.
..1,81.10-5 Pas ; H2O...
1.10-3 ; Ethanol...1,2.10-3 Pas ; Glyzerin.
..1,5 Pas
Temperaturabhängigkeit der Viskosität: η Gase
Bei Temperaturerhöhung wird die Viskosität bei Flüssigkeiten niedriger.
Bei Gasen wird die Viskosität höher. Moleküle beginnen bei Gasen stärker
zu schwingen und Teilchen stoßen stärker zusammen. Flüssigk.
t
Druckabhängigkeit der Viskosität:
Bei einem Druck von 100-200 bar kommt es erst zu einer Viskositätsänderung. Bei Normaldruck ändert sich nichts. Bei Gasen steigt auch die Viskosität bei erhöhtem Druck, weil Gase kompressibel sind. Je höher die Temperaturabhängigkeit, desto größer ist auch die Druckabhängigkeit. Sie wirkt sich auf Flüssigkeiten daher weniger aus.
Kinematische Viskosität(υ.
.ny): Bezug der dynamischen Viskosität auf die Dichte
υ=η/ρ Einheit: m2/s
STRÖMUNGSFORMEN IN ROHRLEITUNGEN
Laminare und turbulente Strömung
Laminar: Geradliniges Fließen, wenig Vermischung, Fließgeschwindigkeiten gering, Schichtströmung
z.B. Abwassertechnik: Sedimentation im Absetzbecken.
Teilchen bewegen sich auf den zur Rohrachse parallelen Stromlinien, ohne sich zu vermischen. Keine Vermischung.
In der Mitte große Strömungsgeschwindigkeit. Parabel spitz ausgeprägt. Strömungsgeschwindigkeit nimmt nach außen hin ab. Rohrreibung: Die Rohrinnenfläche hat eine bestimmte Oberflächenbeschaffenheit(rauh, glatt). Die Wandrauhigkeit k gibt in mm an, wie stark die Rauhigkeit ist.
Es gibt Rauhigkeitsklassen, jedes Rohrmaterial und Rohralter hat eine bestimmte Rauhigkeit.
Rohrreibung bedeutet Druckverluste. Je länger das Rohr, desto mehr Einbauten(Ventile) und je größer k, desto größer sind die Druckverluste. Bei der laminaren Strömung muß die Wandrauhigkeit nicht berücksichtigt werden.
Turbulent: Verwirbelung, Quermischung mit Vermischung, bei schnellen Strömungen.
Wirbelströmung. Es treten neben der in Rohrachse bewegenden Transportbewegung auch Querbewegungen auf und dies führt zu einer ständigen Vermischung.
In der Mitte ist nicht mehr die große Strömungsgeschwindigkeit
Die Parabel ist viel flacher→gleichmäßigere Geschwindigkeitsverteilung als bei der laminaren Strömung. Man möchte das System ausnutzen, deshalb turbulente Strömung. Wandrauhigkeiten muß man berücksichtigen.
Kennzahl: REYNOLDSZAHL
laminar < 2320 < turbulent (105-107 Re)
d...
charakteristischer Durchmesser, beschreibt die Strömungsgeschwindigkeit die vorliegt. Bei einem Rohr ist der charakteristische d der Innendurchmesser di. Bei einem Rechteck ist der charakteristische Durchmesser gleich dem hydraulischen Durchmesser d=dH=4A/U. Strömt auf einer Platte eine Flüssigkeit so ist der char. Durchmesser gleich der Länge. d=LI z.
B. Kondensationseinrichtungen
Beispiel: Ölleitung: d=5cm=0,05m, VP=2 l/s=0,002m3/s, υ=20.10-6 m2/s
ges: Strömung laminar oder turbulent?
A=r2π=0,00196m2 ω=VP/A=1,018m/s Re=ω.d/υ=2546,47→schwach Turbulent
ROHRLEITUNGENSind Förderwege in der Verfahrenstechnik. Zum Transport von Energieträgern, flüssigen Heizstoffen, Druckluft, Wasser. Durch sie werden Apparate miteinander verbunden.
Verlegungsarten: Unterirdisch für Versorgungsleitungen, Kanalleitungen. Im Betrieb Ringleitungen an der Seite oder Decke. Rohrbrücken sind frei verlegte Rohre (Pipeline). Rohrleitungen kann man auch unter Wasser verlegen.
Herstellungsverfahren von Rohren:
Gußrohre: Sind spröde, können nicht geschweißt werden, verbunden durch Schraubverbindungen(Flansch)
Stahlrohre: Sind schweißbar. Sind gezogene Rohre welche durch Schweißnähte verbunden sind, nicht leicht lösbar aber dicht.
Plastikrohre: Werden auch gezogen oder extrudiert( bei hohem Druck und Temperatur wird das Material plötzlich entspannt und es kommt zu einer Ausdehnung.), leicht und kostengünstig. Innert gegenüber chem. Stoffen.
Auswahl von Rohrleitungen:
Eigenschaft des zu befördernden Fluids(Säure, Lauge, oxidierende Stoffe)
Fördermenge, Fördergeschwindigkeit, Förderdruck
Verlegungsart
Wartung
Preis
Kennwerte von Rohren:
Durch Bildzeichen
Durch Kurzzeichen
z.B.
: 2-50-25-B8
2...interne Zählnummer
50...
DN: Nennweite, gibt ca. Innendurchmesser an in mm
25...PN: Nenndruck bei 20°C, Max. anwendbare Druck in bar
B.
..Rohrwerkstoffgruppe (unlegierter Stahl)
8...Rohrklassennummer (gibt schwächste Stelle an)
Nennweite:
Genormt.
Sie ist der ungefähre Innendurchmesser des Rohres in mm. Wie groß der wirkliche Rohrdurchmesser ist ist abhängig von dem Material des Rohres und dem Maximaldruckes. (3-4000 mm)
Beispiel: Rührkessel soll in 5 min mit V von 1,2 m3 gefüllt werden. Welche Nennweite?
VP=m3/s→1,2m3:300s→VP=0,004m3/s ; ω(Angenommen)=2m/s
A=VP/ω=0,002m2
A=r2π→r=0,02523m→d=50,5mm→Gewählte Nennweite DN65
Nenndruck: PN, gibt den max. anwendbaren Druck bei 20°C an. (1-6300 bar)
Mit zunehmender Temp.
sinkt der max. anwendbare Druck.
Zulässiger Betriebsdruck: Pe zul: Max. mögliche innere Überdruck unter Beachtung aller mögl. Betriebszustände welches das Rohr aushält.
Höchster Arbeitsdruck :Pe A max: Der höchste Druck in der Anlage der auftreten kann.
Arbeitsdruck: Druck bei dem gearbeitet wird.
Probedruck: jener Druck, der bei der Inbetriebnahme einer Rohrleitung oder beim Probedurchlauf angelegt wird. Probedruck ist 1,5 mal so hoch wie PN. Prüfung erfolgt laut Dampfkesselordnung vom techn. Überwachungsverein oder von Dampfkesselkomissären.
Rohrleitungskennzeichnung: Farbe läßt auf enthaltene Medien schließen.
90°
Rohrverbindungsarten
Lösbare Verbindungen: können ohne Zerstörung des Materials wieder gelöst werden.
Flanschverbindung: Scheibe mit Bohrungen, eine Weitere wird gegengleich aufgesetzt,
durch Schrauben fest verbunden, es kommt zu einer Presskraft, weiters wird ein Dicht-
ungsring zwischengelegt.
Muffenverbindung: für geringe Rohrdurchmesser und Drücke, auch lösbar, besteht aus
zylindrischem + kegelischen Teil, werden ineinander gesteckt(Steckmuffe) oder bei
Gewindeausführung verschraubt. Hanf oder Kunststoffbänder als Dichtung.
Schneidringverschraubung: bei kleinen Rohrleitungen, 1 Teil in den anderen gesteckt
und mit einer Überwurfmutter festgezogen.
Unlösbare Verbindungen: Schweiß- und Lötverbindungen.
Sind im allgemeinen
günstiger, absolute Dichtheit gewährleistet.
Rohrleitungsteile
Formstücke: um räumliche Gegebenheiten zu nutzen, Formstücke sind Krümmer oder T-Stücke.
Krümmer: Flüssigkeitsumleitung, trägt zum Gesamtdruck bei (desto gr. die Krümmung, desto gr.
der Druckverlust).
3 Arten: 180° Krümmer 90° Krümmer Raumkrümmer
T-Stücke: zur Rohrverzweigung, Rohrdurchmesser kann sich vergrößern/verkleinern, dann ist im T-Stück ein Reduzierstück enthalten.
Rohrkappe: dort wo die Leitung endet ist eine Rohrkappe aufgesteckt oder geschraubt.
ARMATUREN
Armaturen dienen zum Öffnen und Sperren von Ventilen und einige zum Regulieren der Durchflußmenge.
Einige dienen zur Sicherung.
Schieber-Klappen-Hähne:
Ermöglichen ein Öffnen und Schließen von Rohrleitungen, aber kein Regulieren.
Schieber: Absperrvorrichtung zum komplett öffnen bzw. schließen, meist elektronisch gesteuert,
Die Kraft zum Absperren wird über eine Welle übertragen, welche abgedichtet werden muß.
Das erfolgt durch Stopfbuchsendichtungen (Kunststoffringe oder Textilringe Ölgetränkt).
Hähne: Kugelhähne: In der Mitte befindet sich eine Bohrung. Kann man halb schließen, halb öffnen.
Verwendet zum Öffnen und Schließen.
Klappen: bis 25 bar Druck, Klappe kann durch verdrehen öffnen oder schließen. Querseite ist immer
von Flüssigkeit angeströmt.
Nachteil: Korrosion. Mit Bolzen muß man sichern, daß Klappe offen oder zu.
Paßdichtung rundherum in eingefräßter Passung.
Ventile-Stellarmaturen:
Absperr-Regel-Ventile: komplett absperren oder regeln der Durchflußmenge.
Sicherheitsventile: um Sicherheit der Anlage zu gewährleisten. Bei Überdruck öffnet sich ein Ventil.
Selbstschließende Ventile: Verhindern Rückfluß, Durchfluß nur in eine Richtung möglich.
Druckminderventile: hoher Druck wird auf Arbeitsdruck reduziert (Gasflasche).
Durchgangsventile: Es kommt zu keiner Umleitung.
Eckventile: Es kommt zu einer Umleitung um 90°.
Drei oder Vierwegventile: Es kommt zu einer Verzweigung.
Absperr- und Regelventile:
Rohrleitung kann abgesperrt & geöffnet werden, als auch die Durchflußmenge in feinen Stufen geregelt werden.
Kegelsitzventil: kugelförmiger Körper, horizontale Trennwand, Flüssigkeitsstrom wird 2x
umgelenkt→Druckverlust hoch. Wird mit Handrad geöffnet bzw. geschlossen. Führungsrippen damit der Kegel genau auf die Bohrung paßt.
Je niedriger der Druckverlust eines Ventils ist umso teurer ist es.
Schrägsitzventil: Sitz direkt in der Rohrleitung.
Membranventil: Membran wird durch einen Verdrängungskörper an die Dichtungskante gepreßt, und somit kommt es zum verschließen des Ventils. Eignet sich für aggressive Lösungen.
Selbstschließende Ventile:
Rückflußverhinderer: schließt mechanisch, wenn Flüssigkeit von der falschen Seite kommt.
Rückschlagklappe: Die Strömung muß so stark sein, damit die Klappe mit dem Rückstellgewicht nach oben gedrückt werden kann.
Rückschlagventil: federbelastet, Rückstellfeder öffnet bei hohem Druck, kommt die Fl. von der anderen Seite ist Ventil gesperrt.
Sicherheitsventile:
Dienen zum Schutz von Rohrleitungen und Behältern, gegen einen unzulässigen Überdruck. Öffnen bei Überdruck und schließen dann wieder. Ventilkegel hebt sich nach oben bei Überdruck. Schutzkappe ist plombiert.
Berstscheibe: Metall- oder Kunststoffscheibe wird eingeflanscht. Sie zerplatzt bei Überdruck(schwächstes Glied).
Blindscheibe: macht, daß die Rohrleitung gesperrt bleibt, und daß es nicht zu einem unerlaubten Durchfluß kommt. Wenn ein Rohr stillgelegt wird sperrt man es ab. Wird zusammengeflanscht, durch eine Fahne erkennt man daß das Rohr abgesperrt ist.
Kondensatableiter
benötigt in Heizdampfleitung, im Heizdampf ist hohe Energie gespeichert, Dampf wird in Rohrleitung transportiert. Sie leiten selbständig, daß in Dampfleitungen gebildete Kondensat sowie mitgerissene Flüssigkeitstropfen ab, ohne daß der Dampf entweicht. Immer an der tiefsten Stelle der Leitung.
Flüssigkeitsteilchen führen zur Abnutzung der Einbauteile, da sie wie Nadelstiche wirken→Flüssigkeitsschlag.
Schwimmer-Kondensatableiter: Schwimmkugel(leichter Kunststoffkörper). Schwimmer wird durch Flüssigkeit gehoben, dabei verdreht der Heber den Drehschieber und gibt eine Öffnung frei. Die Flüssigkeit kann abrinnen.
Das System enthält auch einen Schmutzablaß, um durch Korrosion entstandene Schmutzteile abzulassen.
Entlüfter:
haben die Aufgabe die in Rohrleitungen befindlichen Gase, insbesondere Luft aus den Rohrleitungen zu entfernen.
Je höher der Druck ist umso mehr Gase sind in Flüssigkeiten gelöst. Weiters gelangen durch Undichtheiten Luft in Rohrleitungen. Entlüftet muß werden um Flüssigkeitsschlag zu vermeiden, Pumpe kann beschädigt werden. Luft hat keine gute Wärmeleitfähigkeit→Heizkörper wird nicht mehr warm.
Entlüftungshahn: an der obersten Stelle eines Rohrleitungssystems angebracht.
Schwimmkugel-Entlüftungsventil: läßt Gase und Luft automatisch entweichen.
Wenn der Flüssigkeitsstand sinkt, öffnet sich die Öffnung zwischen Kugel und Gehäuse, die Gase können entweichen.
Rohrdehnung
Durch Temperaturänderung kommt es zur Änderung der Rohrlänge. Der Durchmesser des Rohres bleibt vernachlässigbar gleich.
∆L=L*BL*∆T
BL...
Ausdehnungskoeffizient in mm/m Rohrlänge und °C Temperaturänderung.
BL(Baustahl):0,012; (Kupfer):0,02; (Edelstahl):0,017mm/m°C
Beispiel: Eine 8m Rohrleitung aus Baustahl wird um 250°C erhitzt. Rohrlängenänderung?
∆L=8*0,012*250=24mm
Dehnung ε = ∆L/L → Rohrdehnungsausgleicher sonst knickt das Rohr.
Z-Bogenausgleicher: für geringe Längenänderungen.
U-Bogenausgleicher: für größere Längenänderungen.
Lyrabogen: für noch mehr Ausdehnung weil er rund ist.
Wellenrohrausgleicher: kann sich zusammenziehen, bzw. ausdehnen. Rohr steckt in anderem Rohr.
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