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Werner Hemming/Walter WagnerVerfahrenstechnik

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Kamprath-Reihe

Dipl.-Ing. Werner Hemming/Dipl.-Ing. Walter Wagner

Verfahrenstechnik

12., korrigierte Auflage

Vogel Business Media


Dipl.-Ing.WERNER HEMMING

1925 in Wetzlar/Lahn geboren. Maschinenbau-studium an der Ingenieurschule in Gießen und ander Technischen Hochschule Aachen. Konstruk-tionsingenieur im Werkzeugmaschinen- undApparatebau. Durchführung von Entwicklungs-und Planungsaufgaben für Kernenergieanlagen.Ab 1963 Lehrtätigkeit. Autor und Redakteurtechnischer Fernlehrgänge. Zeitweise Lehrbe-auftragter für mechanische Verfahrenstechnik, Werk-zeugmaschinen und Mathematik an der FachhochschuleKonstanz. Verfasser zahlreicher Fachaufsätze.

Dipl.-Ing.WALTER WAGNER

Jahrgang 1941, absolvierte nach einer Lehre als Techni-scher Zeichner ein Maschinenbaustudiumund war 1964 bis 1968 Anlagenplaner im Atom-reaktorbau; anschließend begann er eine Ausbil-dung zum Schweiß-Fachingenieur und war ab 1968Technischer Leiter im Apparatebau, Kesselbau undin der Wärmetechnik. 1974 bis 1997 bekam er einenLehrauftrag an der Fachhochschule Heilbronn, von1982 bis 1984 zusätzlich an der FachhochschuleMannheim und von 1987 bis 1989 an derBerufsakademie Mosbach. Im Zeitraum 1988 bis1995 war er Geschäftsführer der Hoch-Temperatur-Technik Vertriebsbüro Süd GmbH.Seit 1992 leitet er Beratung und Seminare für Anlagen-technik: WTS Wagner-Technik-Service. Erist außerdem Obmann verschiedener DIN-Normenund öffentlich bestellter und vereidigter Sach-verständiger für Wärmeträgertechnik, ThermischerApparatebau und Rohrleitungstechnik.

Weitere Informationen:www.vbm-fachbuch.de

ISBN 978-3-8343-3412-112. Auflage 2017Alle Rechte, auch der Übersetzung, vorbehalten.Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form(Druck, Fotokopie, Mikrofilm oder einemanderen Verfahren) ohne schriftlicheGenehmigung des Verlages reproduziert oderunter Verwendung elektronischer Systemeverarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden.Hiervon sind die in §§ 53, 54 UrhG ausdrücklichgenannten Ausnahmefälle nicht berührt.Printcd in GermanyCopyright 1975 by Vogel Business MediaGmbH & Co. KG. Würzburg

Dipl-Ing. WALTER WAGNER ist Autor folgenderVogel Fachbücher (Kamprath-Reihe):

Festigkeitsberechnungen imApparate- und RohrleitungsbauKreiselpumpen und KreiselpumpenanlagenLufttechnische AnlagenPlanung im AnlagenbauRegel- und SicherheitsarmaturenRohrleitungstechnikStrömung und DruckverlustWärmeaustauscherWärmeträgertechnikWärmeübertragungWasser und Wasserdampf im AnlagenbauDIETZEL/WAGNER: Technische WärmelehreHEMMING/WAGNER: Verfahrenstechnik

Zur Themenreihe gehören ebenfallsaus der Vogel Business Media:

H. J. Bullack: (CD-ROM)Berechnung von Druckbehälter-BauteilenBerechnung von SicherheitseinrichtungenBerechnung von KunststoffbehälternFlanschberechnungen nach EN 1591Berechnung metallischer Rohrleitungsbauteile 1Pipe Elements/Rohrleitungsbauteile


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Schreibmaschinentext

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E-Book ISBN 978-3-8343-6225-4

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Das Buch vermittelt eine Gesamtschau über denvielfältigen und weitverzweigten Fachbereich«Verfahrenstechnik». Es gibt eine erste Einfüh-rung in die wichtigsten Grundverfahren der me-chanischen, thermischen und chemischen Ver-fahrenstechniken sowie der Bioverfahrenstech-nik. Das ermöglicht auch dem Fachfremden ei-nen Einstieg in diesen wichtigen Technikzweig.

Leserkreis und besonders angesprocheneLesergruppen

Die Literatur über die Verfahrenstechnik ist sehrumfangreich und in zahlreiche Spezialgebieteaufgespalten. Es ist für den Nichtfachmann daherrecht schwierig, sich in diesem komplexen Gebietzurechtzufinden. Das Buch wendet sich daherzunächst an alle, die sich einen ersten Überblicküber die Verfahrenstechnik verschaffen wollen.Weiter wurde das Buch für diejenigen geschrie-ben, die innerhalb ihres eigenen Fachgebietesverfahrenstechnische Erkenntnisse, Methodenoder Geräte anzuwenden haben.

Besonders angesprochen sind hier:

Ingenieure und Techniker des Apparatebaus.

Alle, die sich imRahmen desUmweltschutzesmit der Reinhaltung von Wasser und Luftbeschäftigen müssen.

Das Buch ist aus dem Fachhochschulunterrichthervorgegangen. Infolgedessen ist es auch ge-dacht für:

Studierende des Maschinenbaus, der physika-lischen Technik, der technischen Chemie undder Verfahrenstechnik zur Begleitung desFachhochschulunterrichts sowie als Repetito-rium zur Prüfungsvorbereitung.

Absolventen von Fachhochschulen und Tech-nikerschulen als schneller Ratgeber undNachschlagwerk.

Vorwort

Fachliche BesonderheitenDasBuchwill einen kurzgefasstenÜberblick überdie Verfahrenstechnik geben. Eine solche Kurz-fassung bedingt auch eine gewisse Auswahl undSchwerpunktbildung.Besonderes Gewicht wird auf die Trennverfahrengelegt, weil diese Grundoperation wichtige Bau-steine fast aller Produktionsverfahren sind und inder Umwelttechnik eine wesentliche Rolle spie-len. Hierdurch bedingt wurde die mechanischeVerfahrenstechnik breiter abgehandelt als diethermische.

Didaktische BesonderheitenDas Buch ist als Kompendium gedacht. Es wirdbewusst darauf verzichtet, die Berechnungsfor-meln und Gleichungen ausführlich herzuleiten.Aufgabe des Buches soll es auch weniger sein,Lösungsmöglichkeiten für verfahrenstechnischeProbleme aufzuzeigen. Vertieft wird jedoch dieknappe Stoffdarbietung durch zahlreiche voll-ständig durchgerechnete Beispiele, die auch einenersten Einblick in die Projektierung von Appara-ten und Anlageteilen geben.Voraussetzungen für das Arbeiten mit diesemBuch sind Grundkenntnisse der Mathematik undPhysik, wie sie z.B. zur Erlangung der Fachschul-reife oder eines Realschulabschlusses notwendigsind.Gründlich überarbeitet und teilweise neugefasstwurde das Kapitel Prozessleittechnik.DemVogel Buchverlag danke ich für die gewohnthervorragende Zusammenarbeit.Anmerkungen zum Buch über E-Mail:[email protected].

Insel Reichenau Werner HemmingSt. Leon-Rot Walter Wagner


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Inhaltsverzeichnis

Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.1 Wesen und Aufgaben der

Verfahrenstechnik . . . . . . . . . . . 91.2 Apparat, Anlage, Verfahren . . . . 101.3 Grundverfahren . . . . . . . . . . . . . 111.4 Lagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.5 Fördern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.5.1 Rohrleitungen und Armaturen 131.5.2 Feststoffförderung . . . . . . . . . . . 141.5.3 Flüssigkeitsförderung . . . . . . . . 171.5.4 Gasförderung . . . . . . . . . . . . . . . 201.6 Messen, Steuern und Regeln . . . 211.7 Energieerzeugung und

Energieversorgung . . . . . . . . . . . 24

2 Mechanische Verfahren zurOberflächenvergrößerung . . . 25

2.1 Zerkleinern von Feststoffen . . . . 252.1.1 Bruchvorgang . . . . . . . . . . . . . . 262.1.2 Zerkleinerungsarbeit . . . . . . . . . 282.1.3 Zerkleinerungsmaschinen . . . . . 292.2 Flüssigkeitszerteilung . . . . . . . . 362.2.1 Berieselung . . . . . . . . . . . . . . . . 362.2.2 Zerstäubung . . . . . . . . . . . . . . . . 382.2.3 Zerspritzen . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3 MechanischeFlüssigkeitsabtrennung . . . . . . 41

3.1 Disperse Systeme . . . . . . . . . . . 423.2 Sedimentation . . . . . . . . . . . . . . 433.2.1 Schwerkraftsedimentation . . . . . 433.2.1.1 Absetzgeschwindigkeit . . . . . . . 433.2.1.2 Apparate für die

Schwerkraftsedimentation . . . . . 453.2.2 Fliehkraftsedimentation . . . . . . . 473.2.2.1 Schleuderzahl und

Absetzgeschwindigkeit . . . . . . . 483.2.2.2 Vollmantelzentrifugen . . . . . . . . 483.2.2.3 Tellerzentrifugen . . . . . . . . . . . . 523.2.2.4 Hydrozyklon . . . . . . . . . . . . . . . 533.2.3 Flockung und Flockungsmittel 573.3. Filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.3.1 Filtration und Filtermittel . . . . . 573.3.2 Physikalische Grundlagen der

Filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.3.3 Filterapparate . . . . . . . . . . . . . . . 603.3.4 Filterzentrifugen . . . . . . . . . . . . 633.3.5 Bogensieb . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.3.6 Auswaschen des Filterkuchens . . 643.4 Trennung von Emulsionen . . . . . 653.4.1 Emulsionstrennung in der

Tellerzentrifuge . . . . . . . . . . . . . 653.4.2 Sonstige Emulsionstrennverfahren 673.5 Membranfiltration . . . . . . . . . 683.6 Auspressen von Flüssigkeiten

(Scheidepressen) . . . . . . . . . . . . 70

4 Mechanische Zerlegung vonFeststoffgemischen . . . . . . . . . . 71

4.1 Klassieren . . . . . . . . . . . . . . . . . 714.1.1 Trenngradkurve, Trenngrenze,

Trennschärfe . . . . . . . . . . . . . . . 724.1.2 Siebklassieren (Sieben) . . . . . . . 744.1.3 Sichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764.1.4 Stromklassieren . . . . . . . . . . . . . 774.2 Sortieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794.2.1 Dichtesortieren . . . . . . . . . . . . . 794.2.2 Magnetsortieren und

Elektrosortieren . . . . . . . . . . . . 814.2.3 Flotieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814.3 Körnungsanalyse . . . . . . . . . . . . 834.3.1 Korngrößenbestimmung . . . . . . 834.3.2 Körnungskennlinien . . . . . . . . . 844.3.3 RRSB-Verteilungsfunktion . . . . 844.3.4 Bestimmung der spezifischen

Oberfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

5 Verfahren der Gasreinigung 895.1 Entstaubung . . . . . . . . . . . . . . . . 905.1.1 Abscheidegrade . . . . . . . . . . . . . 905.1.2 Schwerkraftabscheidung . . . . . . 925.1.3 Fliehkraftabscheidung . . . . . . . . 935.1.3.1 Abscheidung im Zyklon . . . . . . 935.1.3.2 Abscheidung im

Drehströmungsentstauber . . . . . 965.1.4 Waschabscheidung . . . . . . . . . . . 965.1.4.1 Abscheidung an Flüssigkeits tropfen 965.1.4.2 Nassentstauber . . . . . . . . . . . . . . 975.1.5 Filtrationsabscheidung . . . . . . . . 985.1.6 Elektroabscheidung . . . . . . . . . . 995.1.6.1 Physikalische Grundlagen . . . . . 99


7

5.1.6.2 Elektroabscheider . . . . . . . . . . . 1005.1.7 Biofiltration . . . . . . . . . . . . . . . . 1025.2 Gasreinigung durch Absorption 1025.3 Gasreinigung durch Adsorption 1055.4 Katalytische Gasreinigung . . . . 1065.5 Tropfenabscheidung aus Gasen 107

6 Mechanische Verfahren zurStoffvereinigung . . . . . . . . . . . . 108

6.1 Mischen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1086.1.1 Rühren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1086.1.1.1 Physikalische Grundlagen . . . . . 1086.1.1.2 Rührwerksanlagen . . . . . . . . . . . 1116.1.2 Kneten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1136.1.2.1 Physikalische Grundlagen . . . . . 1136.1.2.2 Knetapparate . . . . . . . . . . . . . . . 1146.1.3 Trockenmischen . . . . . . . . . . . . . 1156.1.3.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . 1156.1.3.2 Geräte zum Trockenmischen . . . 1176.1.4 Statisches Mischen von Fluiden 1196.2 Mechanische Verfahren zur

Kornvergrößerung . . . . . . . . . . . 1206.2.1 Agglomerieren . . . . . . . . . . . . . . 1216.2.1.1 Aufbaugranulieren . . . . . . . . . . . 1216.2.1.2 Sintern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1226.2.2 Formpressen . . . . . . . . . . . . . . . 1226.3 Dosieren von Feststoffen . . . . . . 124

7 Fluidisieren undWirbelschichttechnik . . . . . . . . 125

7.1 Schüttgutverhalten in fluidenMedien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

7.2 Berechnung der Wirbelschicht-zustandsgrößen . . . . . . . . . . . . . . 126

7.3 Wirbelschichttechnik . . . . . . . . . 127

8 Wärmeübertragung . . . . . . . . . 1318.1 Arten der Wärmeübertragung 1318.1.1 Wärmeleitung . . . . . . . . . . . . . . 1318.1.2 Wärmeübertragung durch

Konvektion . . . . . . . . . . . . . . . . 1318.1.3 Wärmeübertragung bei Änderung

des Aggregatzustands . . . . . . . . 1338.1.4 Wärmeübertragung durch

Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1338.2 Wärmedurchgang . . . . . . . . . . . 1348.3 Wärmeübertragungsmittel . . . . . 1358.4 Wärmeaustauscher . . . . . . . . . . 1358.4.1 Auslegung von

Wärmeaustauschern . . . . . . . . . 1358.4.2 Wärmeaustauscherbauarten . . . . 1368.4.3 Berücksichtigung der

Verschmutzung . . . . . . . . . . . . . 139

9 Thermische Verfahren zurFeststoffabtrennung . . . . . . . . . 141

9.1 Trocknen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1419.1.1 Physikalische Grundlagen . . . . . 1419.1.2 Trocknungsverfahren . . . . . . . . . 1429.1.3 Trocknerbauarten . . . . . . . . . . . . 1439.2 Eindampfen und Kristallisieren 1449.2.1 Verdampfung . . . . . . . . . . . . . . . 1449.2.2 Verdampferbauarten . . . . . . . . . 1459.2.3 Kristallisation . . . . . . . . . . . . . . 1469.2.4 Aussalzen und Fällen . . . . . . . . . 1479.3 Sublimieren . . . . . . . . . . . . . . . . 1489.4 Extrahieren aus Feststoffen . . . . 1489.5 Stoffübergang beim Auslaugen

und Lösen . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

10 Thermische Trennung vonFlüssigkeitsgemischen . . . . . . . 151

10.1 Destillation . . . . . . . . . . . . . . . . 15110.1.1 Siedegleichgewicht und

Gleichgewichtskurve . . . . . . . . . 15110.1.2 Destillationsverfahren . . . . . . . . 15210.2 Rektifikation . . . . . . . . . . . . . . . 15410.2.1 Wärme- und Stoffaustausch . . . 15410.2.2 Anzahl der theoretischen Stufen 15510.2.3 Bauarten von Rektifizierkolonnen 15710.2.4 Auslegung von

Rektifizierkolonnen . . . . . . . . . . 15810.3 Flüssig-Flüssig-Extraktion . . . . 16110.3.1 Physikalische Grundlagen . . . . . 16110.3.2 Massenbilanz, Stufenzahl . . . . . 16210.3.3 Extraktionsapparate . . . . . . . . . . 16510.4 Sorption, Absorption . . . . . . . . . 166

11 Diffusionstrennverfahren . . . . 168

12 Chemische Raktionsverfahren 17012.1 Reaktionssysteme und

Reaktionsapparate . . . . . . . . . . . 17012.2 Chemische Grundverfahren . . . . 17412.3 Biotechnologische Verfahren 17412.3.1 Biotechnologie, Prinzip und

Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . 17412.3.2 Fermentation . . . . . . . . . . . . . . . 17612.3.3 Sterilisation und Reinheit . . . . . 17812.3.4 Aufarbeitung der Bioprodukte 178

13 Fließbilder verfahrens-technischer Anlagen . . . . . . . . 180

13.1 Grundfließbild . . . . . . . . . . . . . . 18013.2 Verfahrensfließbild . . . . . . . . . . 18013.3 Rohrleitungs- und

Instrumenten-Fließbild . . . . . . . 181


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14 Prozessleittechnik . . . . . . . . . . 18814.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . 18814.2 Gerätetechnik . . . . . . . . . . . . . . . 19014.2.1 Feldebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19014.2.2 Prozessleitebene . . . . . . . . . . . . . . . 19014.3 Prozessnahe Komponenten . . . . 19214.3.1 Aufbau, Signalverarbeitung . . . . 19214.3.2 Software, Konfigurierung,

Parametrisierung . . . . . . . . . . . . 19414.4 Bussysteme und Buskomponenten 19614.4.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . 19614.4.2 Feldbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19614.5 Prozessrechner . . . . . . . . . . . . . . 19814.6 Beobachten und Bedienen eines

PLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19814.6.1 Hardware- und Softwareaufbau 19814.6.2 Prozessdarstellung . . . . . . . . . . . 19914.6.3 Prozessbedienung . . . . . . . . . . . 200

Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . 203


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1 Einleitung

1.1 Wesen und Aufgaben der Verfahrenstechnik

DieVerfahrenstechnik ist eine selbstständige In-genieurwissenschaft, die sichmit allen Vorgängenbefasst, bei denen Stoffe hinsichtlich Zusammen-setzung, Eigenschaften oder Stoffart verändertwerden.Hinsichtlich ihrer Anwendungsgebiete ist dieVerfahrenstechnik ein interdisziplinäres Fach-gebiet. Wichtige Bereiche verfahrenstechnischerAnwendung sind: Chemische Technik, Eisenhüt-tenwesen und NE-Metallurgie, Nahrungs- undGenussmittelindustrie, Steine- und Erden-Indu-strie, Umwelttechnik, Biotechnik, medizinischeTechnik. Eng verbunden mit der Verfahrenstech-nik ist der Apparatebau.Die Verfahrenstechnik ist ebenso wie Fertigungs-technik und Energietechnik ein Teil der Produk-tionstechnik. Ziel der Fertigungstechnik ist dieFormänderung, Ziel der Energietechnik ist dieEnergieumwandlung und Ziel der Verfahrens-technik ist die Stoffänderung.

Verfahrenstechnik ist Stoffumwandlungs-technik.

Die Stoffumwandlung kann erfolgen durch:

1. Änderung der Zusammensetzung, z.B. vonSuspensionen durch Filtrieren oder von Lö-sungen durch Destillieren.

2. ÄnderungderEigenschaften,z.B.derFeuch-tigkeit eines Produktes durch Trocknen oderder Korngröße durch Zerkleinern.

3. Änderung der Stoffart, z.B. von Verbindun-gen durch chemische Reaktionen oder vonElementen durch Kernumwandlung.

Zusammensetzung und Eigenschaften von Stof-fen werden durch physikalische Verfahren geän-dert. Die Stoffart kann nur durch chemische odernukleare Reaktionen umgewandelt werden. Mangliedert die Verfahrenstechnik daher auch in phy-sikalische, chemische und nukleare Verfahrens-technik (Kernverfahrenstechnik).Es ist üblich, die physikalische Verfahrenstech-nik in eine mechanische und eine thermischeVerfahrenstechnik zu unterteilen. Bei dermecha-

nischen Verfahrenstechnik sind die Gesetze derMechanik und bei der thermischen Verfahrens-technik die Gesetze der Thermodynamik maßge-bend für die Stoffumwandlung.

Die Aufgaben der Verfahrenstechnik liegen inder technischen Vorbereitung (Projektierung)undDurchführung von Stoffumwandlungsverfah-ren.

Im Einzelnen sind der Verfahrenstechnik vierAufgabengebiete zugewiesen, und zwar:

1. theoretische Klärung der Stoffumwandlungs-vorgänge,

2. Entwicklung von Produktionsverfahren durchoptimale Kombination von Verfahrensbau-steinen (Grundverfahren),

3. Planung undAuslegung von Produktionsanla-gen,

4. Betrieb und Überwachung von Produktions-anlagen.

Die Anlagenplanung und Auslegung wird unterZugrundelegung der wissenschaftlichen Laborer-gebnisse vorgenommen. Hierbei gilt es, die imLabor untersuchten Stoffumwandlungen aufgroßtechnischen Maßstab zu übertragen. Einewertvolle Hilfe bei der Anlagenplanung ist derModellversuch und das Studium der Vorgängean einer Technikumsanlage oder Pilotanlage.

Zunehmend werden zur Anlagenplanung undAuslegung von Apparaten auch leistungsfähigeAnwenderprogramme auf dem PC eingesetzt,mit deren Hilfe – unterstützt von Windows – An-lagenteile konstruiert und berechnet sowie Ver-fahren simuliert und visualisiert werden können.Das Technikum ist der Versuchsstand, in demEinzelapparate und Maschinen oder ein Systemvon Apparaten, Maschinen und Hilfseinrichtun-gen unter Betriebsbedingungen untersucht wer-den.

Die Pilotanlage, oft auch Technikumsanlage ge-nannt, ist das maßstäblich verkleinerte Funktions-modell der Produktionsanlage, in dem das Zusam-menwirken der Anlageteile erprobt wird.

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1.2 Apparat, Anlage,Verfahren

Bild 1.1 Grundfließbild des Kontaktverfah-rens.

Ort der Stoffumwandlung ist der Apparat. DieGesamtheit aller Apparate, Maschinen undGeräte zur Durchführung eines Verfahrensergibt die Anlage. Die stoffseitige Verknüpfungder Apparate zu einer Anlage erfolgt durch För-dereinrichtungen, z. B. durch Rohrleitungen,Pumpen und Verdichter.

Apparate sind technische Gebilde, in denenStoffe umgewandelt, behandelt, transpor-tiert oder gelagert werden. Im Inneren desApparats werden die für die Stoffumwand-lung erforderlichen Betriebsbedingungengeschaffen.

Die Vorgänge in Anlagen lassen sich allgemein indrei Verfahrensabschnitte unterteilen:1. Aufbereiten der Rohstoffe zur chemischen

Reaktion.2. Stoffumwandlung durch chemische Reaktio-

nen.3. Aufarbeiten der Reaktionsprodukte zu Fer-

tigprodukten.Aufbereitung und Aufarbeitung bestehen jeweilsaus einer Folge von Stoffumwandlungsvorgän-gen, bei denen sich Stoffzusammensetzung undStoffeigenschaften ändern.Zur Erläuterung zeigt Bild 1.1 das vereinfachteSchema der Schwefelsäureherstellung nach demKontaktverfahren. Das Spezifische dieses Ver-fahrens ist hier nur die katalytische Umwandlungvon SO2 in SO3. Alle übrigen Vorgänge könnenauch in beliebigen anderen Verfahren im Bereichder Aufbereitung und Aufarbeitung ablaufen.

Ein Verfahren ist ein Ablauf von physikali-schen, chemischen oder biologischen Vor-gängen zur Gewinnung oder Beseitigungvon Produkten. Verfahren bestehen auseiner Kombination austauschbarer Grund-verfahren. Ein Grundverfahren ist der ein-fachste Vorgang bei der verfahrenstechni-schen Durchführung.


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1.3 Grundverfahren

Bei einem Grundverfahren verlaufen die Stoff-umwandlungsvorgänge stets nach den gleichenwissenschaftlichen Prinzipien in den gleichentechnischen Einrichtungen unabhängig davon ab,welches Produkt in dem Gesamtprozess erzeugtwird.Tabelle 1.1 zeigt die Systematik der physikalischenGrundverfahren. Eine ähnlich ausgeprägte Sys-tematik chemischer Grundverfahren gibt esnicht, und zwar aus zwei Gründen: Die Verfahrenzur chemischen Reaktionstechnik lassen sichnicht so eindeutig gegeneinander abgrenzen wiedie physikalischen Grundverfahren. Die Reak-tionsverfahren sind nicht an bestimmte Appara-tetypen gebunden. In einem Rührapparat z.B.können verschiedenartige chemische Grundver-fahren ablaufen. Oft laufen die chemischen Reak-tionsverfahren gemeinsam mit physikalischenGrundverfahren ab, z.B. Polymerisieren gemein-sam mit Suspendieren oder Emulgieren.

Die Konstruktion der Reaktionsapparate für diechemische Stoffumwandlung hängt hauptsächlichdavon ab, in welchem Aggregatzustand und un-ter welchen Bedingungen die Stoffe miteinanderreagieren. Die chemische Umsetzung und diechemischen Eigenschaften der Stoffe bestimmenden Werkstoff des Reaktionsapparats.

In Tabelle 1.2 sind wichtige chemische Grundver-fahren zusammengestellt, bei denen die Art derReaktion als Unterscheidungsmerkmal verwen-det wird. Als Hochdruck bezeichnet man in derVerfahrenstechnik den Druckbereich zwischen100 und 5000 bar.Bei der Durchführung von Stoffumwandlungen inApparaten unterscheidet man zwischen kontinu-ierlicher Arbeitsweise (Fließbetrieb) und diskon-tierlicher, periodischer Arbeitsweise (Chargen-betrieb).Bei kontinuierlicher Arbeitsweise (Fließbetrieb)

Tabelle 1.1 Systematik physikalischer Grundverfahren (Beispiele)

Grundverfahrenzum

mechanisch elektrisch undelektromagnetisch

thermisch

Trennen AbsetzenFiltrierenZentrifugierenScheidepressenZerkleinern

ElektroabscheidenMagnetabscheidenElektroosmoseElektrophoreseElektrodialyse

VerdampfenDestillierenKristallisierenExtrahierenAbsorbieren

Mischen,Vereinigen

VersprühenRührenKneten VermengenAgglomerieren

–AdsorbierenLösenBegasenSintern

Tabelle 1.2 Beispiele chemischer Grundverfahren

ThermischeVerfahren

Elektrolyse-Verfahren

KatalytischeVerfahren

Hochdruck-Verfahren

PhotochemischeVerfahren

BrennenRöstenKalzinierenKaustifizieren

Lösungs-elektrolyseSchmelzfluss-elektrolyse

AlkylierenHydrierenOxidierenIsomerisierenPolymerisierenCyclisierenVinylieren

Synthetisierenz.B. von Ammo-niak, Methanol,Harnstoff;Carbonylieren(Oxosynthese)Öl-Hydrierung

Chlorierung,Sulfo-chlorierungVitaminisierung


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Die kontinuierliche Arbeitsweise im Fließ-betrieb ist typisch für die moderne Verfah-renstechnik; sie ermöglicht den Durchsatz

wird das Ausgangsprodukt ununterbrochen inden Apparat eingeführt und das Endprodukt un-unterbrochen entnommen. Die Arbeitsbedingun-gen. z.B. Druck, Temperatur und Konzentration,werden im Apparat konstant eingehalten.Bei periodischer Arbeitsweise (Chargenbetrieb)laufen die Schritte Füllen, Stoffumwandlung undEntleeren nacheinander in einem Arbeitszyklusab. Dabei ändern sich ebenso periodisch die Ar-beitsbedingungen.

Die periodische Arbeitsweise wird heute nochdann wirtschaftlich angewendet, wenn

1. die chemische Umsetzung sehr langsam ab-läuft (große Verweilzeit);

2. die Produkte nur in geringer Menge benötigtwerden (z.B. Antibiotika);

3. die Anlage für unterschiedliche Herstellungs-verfahren verwendbar sein soll (Mchrzweck-anlage).

1.4 LagernMit der Stoffumwandlung, dem Aufgabenbereichder Verfahrenstechnik eng verknüpft ist die La-gerung. Förderung und Dosierung von Stoffen.Am Anfang eines jeden Produktionsverfahrenssteht die Lagerung der Rohstoffe und am Endedie Lagerung der Endprodukte. Häufig müssenauch noch Zwischenprodukte gelagert werden.Lagern und Fördern sind eigenständige Sachge-biete; sie werden daher nur kurz in dieser Einlei-tung behandelt.

Zum Lagern von Rohstoffen, Zwischen- und End-produkten dienen Lagerbehälter. Zur Qualitäts-erhaltung der Stoffe müssen bestimmte Lage-rungsbedingungen im Lagerbehälter oder Lager-raum aufrechterhalten werden. Unsachgemäß ge-lagerte Schüttgüter neigen zur Selbsterhitzungund Selbstentzündung.

Erze, Mineralien und Kohle werden oft im Freienin Schüttkegeln gelagert (Böschungswinkel 40°bis 60°). Normalerweise lagert man Feststoffe inGroßbehältern, wie Silos und Bunkern, mit ange-schlossenen Austragsvorrichtungen, z.B. Zellen-räder, Schnecken, Drehteller. Darüber hinauswerden fahrbare Bunker und Behälter sowohl fürdie Lagerung als auch für den Transport einge-setzt. Empfindliche feste Güter lagern in Fässern,pulverförmige Güter in Säcken.

Flüssige Güter werden in Großtanks gelagert,derenAusführunggenormtist (DIN28101,28105,28110).Schwefelsäure lagertmeist inKugelbehäl-tern, NH3-Wasser in birnenförmigen Behältern.Bei der Lagerung brennbarer Flüssigkeitenmuss die Verordnung über brennbare Flüssig-

keiten (VbF) beachtet werden. Flüssige Brenn-stoffe und Kraftstoffe werden oft in unterirdi-schen, elektrisch geerdeten, zylindrischen Lager-behältern aufbewahrt.Kugelbehälter haben zwei wesentliche Vorzü-ge:1. geringsteOberfläche unter allen volumenglei-

chen Behältern,2. ideale Druckgestalt ermöglicht beste Werk-

stoffausnutzung.Zu beachten bei der Flüssigkeitslagerung istder hydrostatische Druck der Flüssigkeit p =h · u · g, der die Behälterwandung beansprucht.Große Gasmengen werden in ortsfesten Behäl-tern gespeichert. Man verwendet Kugelgasbehäl-ter, Glockengasbehälter und Scheibengasbehäl-ter. Glocken- und Scheibengasbehälter haben be-wegliche Behälterteile, die eine Änderung desGasvolumens mit der Temperatur ermöglichen.Der Gasdruck bleibt dann – im Gegensatz zumKugelbehälter – konstant. Die Abdichtung desGasvolumens gegen die Atmosphäre erfolgt beimGlockengasbehälter (heute veraltet) durch eineSperrflüssigkeit, meist durch Wasser. Daher ent-hält das gespeicherte Gas immer etwas Wasser-dampf.Beim neuzeitlichen Scheibengasbehälter dientein Blechkragen als Abdichtung, der in einen ander Wand herabrieselnden Teerfilm eintaucht.Das Gas enthält daher immer etwas Teerdampf.Scheibengasbehälter haben einen größerenNutzinhalt als Glockengasbehälter, sie könnenmehrere 100 000 m3 Gas aufnehmen. Absolute

großer Stoffmengen mit Hilfe automatisier-ter Produktionsverfahren.


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Tabelle 1.3 DruckgasflaschenGasart Kennfarbe Ventilanschluss

DIN 477 TlVolumenin l

Druckin bar

Füllmenge

Sauerstoff Blau R ¾ 4050

150200

6 000 l10 000 l

Acetylen Gelb Spannbügel 40 19 8 kg10 kg

Propan Rot W 21,8 × 1/14 LH 1050

8,53 4,25 kg21,25 kg

alle brennb. Gaseaußer Acetylen

Rot W 21,8 × 1/14 LH 2050

200 4 000 l10 000 l

Stickstoff Grün W 24,32 × 1/14 2050

200 4 000 l10 000 l

Kohlendioxid Grau W 21,8 × 1/14 13,440

57,29 10 kg30 kg

Edelgase Grau W 21,8 × 1/14 2050

200 4 000 l10 000 l

Abdichtung ist bei Behältern mit beweglichenTeilen unmöglich. Der tägliche Gasverlust be-trägt ungefähr 0,3%.Kleinere Gasmengen lagert man in ortsbewegli-chen Behältern, z.B. in Tankwagen und Stahlfla-schen. Je nach Gasart beträgt der Druck in Gas-flaschen 3…200 bar. Der Inhalt der Gasflaschen

ist durch einen breiten Farbstrich gekennzeichnet.Die Ausführung des Ventilanschlusses ist von derGasart abhängig (Tabelle 1.3). Bei Errichtung undBetrieb von ortsbeweglichen Gasbehältern mussdie Druckgasverordnung beachtet werden.

1.5 FördernBeim innerbetrieblichen Stofftransport unter-scheidet man zwischen Förderwegen und Förder-mitteln.Förderwege führen die Stoffströme, Fördermit-tel bewegen das Fördergut.

1.5.1 Rohrleitungen undArmaturen

Die wichtigsten Förderwege in der Verfahrens-technik sind die Rohrleitungen. Rohrleitungenverbinden die Apparate zu einer Anlage. Rohrlei-tungsnetze versorgen die Produktionsanlagen mitEnergieträgern (Heizgas, Dampf, Druckluft),Rohstoffen und Zwischenprodukten; sie führendie Fertigprodukte dem Verbraucher oder Tank-lagern zu. Rohrleitungen werden auf Rohrbrü-cken oder in offenen Rohrkanälen verlegt.Die lichte Höhe einer Rohrbrücke darf dem Ei-senbahnprofil entsprechend nicht unter 6,5 mliegen. Zur besseren Übersicht sollte man dieRohrverlegung auf Rohrbrücken oder in Rohrka-näleneinheitlichsodurchführen,dass z.B.Dampf-,Kondensat-, Druckluft- und Stickstoffleitungenimmer am gleichen Platz liegen. Dampf- und

Kondensatleitung erhalten eine Wärmeisolie-rung, z.B. aus Mineral- oder Glaswolle. Wärme-spannungen in Rohrleitungen infolge Abkühlungoder Erwärmung des Fördermediums müssendurch Dehnungsausgleicher (Kompensatoren)verhindert werden.Die Druckstufen und Nennweiten der Rohrlei-tungen sind genormt (DIN 2401 Teil 1), ebensodie Anschlussmaße der Flansche (DIN 2501).Rohrleitungen werden nach DIN 2403 zur Er-leichterung der Betriebsführung und aus Si-cherheitsgründen dem Durchflussstoff entspre-chend durch farbige, rechteckige Schilder ge-kennzeichnet (Tabelle 1.4). Eine Spitze gibt dieDurchflussrichtung an. Bei wechselnder Richtunghat das Schild zwei Spitzen. Die Schilder tragenentweder die Bezeichnung des Durchflussstoffsoder eine Kennzahl (z.B. 1.4 für Kondensat, 3.2für Heißluft, 5.4 für Chlorgas) oder die chemischeFormel (Bild 1.2).

Kreislaufdampf 2,6

Bild 1.2 Schilder zur Kennzeichnung von Rohr-leitungen für Kreislaufdampf


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Tabelle1.4 KennfarbenfürRohrleitungen (DIN 2403)

Durchflussstoff Gruppe Farbe Farbmusterin RAL 840 HR

WasserWasserdampfLuft (auch Vakuum)Gase, brennbare–. nicht brennbareSäurenLaugenFlüssigkeiten, brennbare–, nicht brennbareSauerstoff

1234567890

GrünRotGrauGelb1)Gelb2)OrangeViolettBraun1)Braun2)Blau

RAL 6018RAL 3000RAL 7001RAL 1021RAL 1021RAL 2003RAL 4001RAL 8001RAL 8001RAL 5015

Bei radioaktivem Durchflussstoff ist das Strah-lungskennzeichen nach DIN 25400 zusätzlich an-zubringen.In die Rohrleitungen werden Armaturen einge-baut. Armaturen sind Einrichtungen zum Steuern,RegelnundMessendesDurchflussstoffes.VonderFunktion her unterscheidet man im WesentlichenAbsperr- und Regelorgane, Sicherheitseinrich-tungen und anzeigende Einrichtungen.Absperr- und Regelorgane dienen zur Ein- undAusschaltung des Durchflussstromes sowie derDurchflussregelung. Hierzu verwendet man Häh-ne, Schieber, Ventile und Klappen.

Bei Schiebern undHähnen wird das Verschluss-stück quer zum Sitz abgeschoben. Bei Ventilenund Klappen wird es vom Sitz abgehoben.

Sicherheitseinrichtungen verhindern Überlas-tungen durch Überdruck, unzulässiges Rückflie-ßen des Durchflussstoffes und Leitungsbrüche in-folgeWärmedehnungen oder mechanische Belas-tungen.

SicherheitsventileundDruckminderventiledie-nen zur Überlastungssicherung, Rückschlagven-tile und Rückschlagklappen zur Rückflusssiche-rung. Ausgleichsvorrichtungen, z.B. Linsen- undStopfbuchsenausgleicher, verhindern Leitungs-brüche.

Für Dämpfe und Gase verwendet man gewichts-oder federbelastete Vollhubsicherheitsventile.Bei Vollhubsicherheitsventilen hebt die Kraft desabblasenden, expandierenden Mediums den Ven-tilkegel weiter an.

Es ist streng verboten, die Einstellung von Sicher-heitsventilen unbefugt zu verändern. Die Kraftauf denVentilkegel darf 6000N (6 kN) nicht über-schreiten. Bei höheren Drücken und größerenAbblasmengen sind mehrere Sicherheitsventileanzuordnen.

Wichtige anzeigende Einrichtungen sind Mano-meter und Flüssigkeitsstandanzeiger. Zu denSonderarmaturen gehören Kondenswasserab-leiter – auch Kondenstöpfe genannt –; sie dienenzur selbsttätigen Ableitung des an Dampflei-tungen und Apparateheizflächen entstehendenKondensats. Die Ableitung kann periodisch oderkontinuierlich erfolgen.

Fehlende oder mangelhafte Kondensatablei-tung verursacht erhebliche Energieverluste.

Rohrleitungsanlagen werden durch grafischeSymbole dargestellt. Tabelle 1.5 zeigt wichtigeSymbole für Rohrleitungsanlagen nach DIN2429. Die Lage der Symbole im Rohrleitungs-plan muss dem Leitungsverlauf entsprechen.

Aufgabe der Fördermittel ist es, das Förder-gut betriebssicher, qualitätsschonend undschnell mit geringstem Kostenaufwand übereine möglichst kurze Wegstrecke zu bewe-gen.

Die Wahl des geeigneten Fördermittels richtetsich nach dem Aggregatstand, der Teilchengröße,den chemischen und physikalischen Eigenschaf-ten des Förderguts sowie den u.U. gleichzeitig mitdem Fördern durchzuführenden Stoffumwand-lungsprozessen (z.B. Trocknen, Mischen, Umset-zen). Je nach Aggregatzustand unterscheidet manFördermittel für Feststoffe, für Flüssigkeiten undfür Gase.

1) auch mit Zusatzfarbe Rot2) mit Zusatzfarbe Schwarz

1.5.2 Feststoffförderung

Fördermittel für feste Stoffe werden unterteilt indiskontinuierliche Förderer und Stetigförderer.


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Symbol Benennung Symbol Benennung Symbol Benennung

Grundleitung mitAngabe derFließrichtung

Lyra-KompensatorStellantriebmit Elektromagnet

Grundleitung mitBegleitheizungoder -kühlung

Schiebemuffe Stellantrieb, des-sen Hilfsenergieder Duchflussstoffder Rohrleitungist

Schauglas

Verschlussallgemein

Absperrarmatur,allgemein

Stellantrieb,handbetätigt

AbsperrventilBlindflanschAbsperrhahn

Flansch-verbindung Absperrklappe Stellantrieb mit

Federkraft

RückschlagklappeKlammer-verbindung

Stellantrieb mitMembrane

Schraub-verbindung

Stellantrieb mitrotierendemSystem– allgemein

Stellantrieb mitGewicht

Einsteckmuffe

Kupplung

Schweiß- oderLötverbindung – mit Elektro-

motor

Stellantrieb mitSchwimmer

Kompensator,allgemein

Wellrohr-Kompensator

Stellantrieb mitKolben

Kondensatableiter,allgemein

Tabelle 1.5 Grafische Symbole für Rohrleitungen und Armaturen nach DIN 2429

Diskontinuierliche Förderer, z.B. Kräne, Aufzügeund Bahnen haben in der Verfahrenstechnik nurgeringe Bedeutung. Wesentlich wichtiger sind dieStetigförderer, die das Fördergut kontinuierlichüber die Förderwege transportieren.Wichtige Stetigförderer in der Verfahrenstechniksind Bandförderer, Kettenförderer, Schnecken-förderer, Schwingförderer, Becherwerke undpneumatische Förderer.Unter den Bandförderern haben die universellverwendbaren Gurtbandförderer, auch Förder-bänder genannt, die größte Bedeutung. Bild 1.3zeigt Schema und Querschnitt eines Gurtband-förderers mit Muldentragrolle. Der endlose,durch einen Elektromotor angetriebene Gurt be-steht meist aus Synthesekautschuk mit Textilein-lagen. Bei höheren Temperaturen nimmt manStahlbänder. Folgende Daten werden genannt:

Gurtbreite bis zu 3000 mm, Achsabstand zwi-schenAntriebs- und Spanntrommel bis zu 1000m.Gurtgeschwindigkeit bis über 5 m/s und Durch-sätze bis zu 10 000 t/h.Schüttwinkel a und Gurtanstiegswinkel b beiSchrägförderung hängen vom Fördergut ab. DerAnstiegswinkelb sollte 18° nicht übersteigen.DieAufgabe des Förderguts auf den Gurt und derAbwurf vom Gurt wird bei größerem Durchsatzmechanisch durch Schurren vorgenommen.Neben den Gurtbandförderern gibt es noch Glie-derbandförderer. Die Tragglieder bestehen ausgelenkig verbundenen Platten, Trögen oder Käs-ten aus Metall, die auf Rollen über Laufschienenbewegt werden. Gliederbandförderer verwendetman zur Förderung von grobstückigen, hartenund heißen Gütern. Folgende Daten werden an-gegeben: Gurtbreite bis 1,5 m, Anstiegswinkel bei

M


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am Schwinghubende ist so groß gewählt, dass dasGut durch die eigene Trägheitskraft in Förder-richtung auf der Unterlage gleitet.Schwingförderer neigen zur Entmischung desFörderguts. Fördergutströme bis zu 3000 m3/h beiTrögen und bis zu 150 m3/h bei Rohren.Zur Schwingungserzeugung werden zwei unter-schiedliche Systeme eingesetzt: Unwuchtschwin-ger und elektromagnetischer Vibrator. Der Un-wuchtschwinger ist ein Elektromotor, der eineexzentrisch gelagerte Schwingmasse antreibt undso seine Unterlage (Arbeitsgerät) in mechanischeSchwingungen versetzt. BeimVibrator (Bild 1.4)schwingt ein Elektromagnet, der durch Koppel-federn mit dem Ankerteil verbunden ist. Magnet-und Ankermasse schwingen gegeneinander. DieSchwingweite ist abhängig vom Verhältnis Sys-tem-Eigenfrequenz und Antriebsfrequenz. DerVibrator wird durch Zusatzmassen an das Ar-beitsgerät angepasst. Vorteile des Vibrators ge-genüber dem Unwuchtschwinger: kein Ver-schleiß, Änderung der Schwingbreite währenddes Betriebs durch Erregerspannungsänderung.In der chemischen Industrie müssen häufig pul-ver- und staubförmige Feststoffe transportiertwerden. Dazu dienen hauptsächlich pneumati-sche Förderer und Druckluftmembranpumpen.

Kastenbandförderern bis 40°, Fördergeschwin-digkeit bis 0,5 m/s. Gliederbandförderer sindstoßunempfindlich, brandunempfindlich und ver-schleißfest.Kettenförderer ähneln den Gliederbandförde-rern. Ein Trog dient als ruhendes Tragorgan. Zug-bzw. Schuborgan ist eine endlose Laschenkettemit außenseitig angebrachten Querstegen, Krat-zer genannt. Die Kratzer nehmen die auf demTrogboden liegende Gutschicht mit. DerartigeKratzerförderer eignen sich für waagerechteoder geneigte Schüttgutförderung. Läuft die Ket-te in einem allseitig geschlossenen Trog, dannspricht man vonTrogkettenförderern. Sitzen dieSchaufeln auf der Innenseite der Kette, so handeltes sich um Schleppkettenförderer. Daten fürKettenförderer: Fördergut-Durchsatz bis 150 t/h.Fördergeschwindigkeit bis 0,5m/s, Neigungswin-kel bis 40°.Schneckenförderer sind Schüttgutförderer fürvorwiegend waagerechte und schwach geneigteFörderung. Tragorgan ist ein ruhender Trog. AlsSchuborgan dient eine Schnecke. Die Schneckebesteht aus einem schraubenförmig um ein Rohrgewundenes Blech. Schneckenförderer eignensich für kurze Förderwege und geringe Förder-gut-Durchsätze. Leicht zerreibbare Güter kön-nen beschädigt werden. Feuchtes Gut verstopftden Fördertrog.Schwingförderer fördern das Gut durch Massen-kräfte nach dem Mikrowurfprinzip oder nachdemGleitförderprinzip.BeimMikrowurfprinzipführt die Schwingrinne (als Fördertrog oder För-derrohr) eine schräg nach oben gerichteteschwingende Bewegung mit hoher Frequenz (rd.50 Hz) und kleiner Amplitude (≈ 1 mm) aus. DasGut wird inMikrowürfen fortbewegt und kommtwährend jeder Schwingungsperiode nur kurzzei-tig mit der Schwingrinne in Berührung. Wird dieRinne um ein stehendes Rohr wendelförmig ge-wunden, so ergibt sich einWendelförderer. BeimGleitförderprinzip erfolgt die Schwingbewegungin der Ebene der Unterlage. Die Verzögerung

Bild 1.4Prinzip des elektromagnetischenVibrators

Bild 1.3 Gurtbandförderer (Förderband)


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Pneumatische Förderer transportieren körnigeoder staubförmige Güter in einem Luftstrom.Man unterscheidet Saugluft- und Druckluftanla-gen. Kennzeichnend für die pneumatische Förde-rung sind Druckverlust und Stopfgrenze. DerDruckverlustbestimmt denEnergieaufwand.DieStopfgrenze ist maßgebend für den Förder-strom.Bei Erreichen der Stopfgrenze führt bereits einekleine Steigerung der zugeführten Gutmengeoder eine kleine Verringerung der Luftgeschwin-digkeit zum Verstopfen der Rohrleitung.Es können mit pneumatischen Förderern Fest-stoffe bis zu 50 mm Korndurchmesser transpor-tiert werden. Die Geschwindigkeit des Luft-stromsmuss größer sein als die Fallgeschwindigkeit(Schwebegeschwindigkeit) des Förderguts; sieliegt zwischen 10 und 50 m/s. Der Unterdruck inSaugluftanlagen beträgt etwa 0,5 bar, der Über-druck in Druckluftanlagen 0,75 bar. Bei der Saug-luftförderung beträgt die Länge des Förderwegsmaximal 400 m. Druckluftanlagen können bis zu700 m überwinden.Vorteile der pneumatischen Förderung: Voll-kommen selbsttätige Förderung; geringer Raum-bedarf; geringer Bedienungsaufwand; niedrigeAnlagekosten; größte Schonung des Förderguts;Möglichkeit des gleichzeitigen Durchführens vonGrundverfahren (Trocknen) und chemischen Re-aktionen, wobei die festen Teilchen auch Kataly-satoren sein können.Eine Alternative ist die schonendere Pulverförde-rung mit Druckluftmembranpumpen, in denendie Luftgeschwindigkeit nur 3 bis 5 m/s beträgt.Das Fördergut wird innerhalb der Pumpe fluidi-siert. Zwei durch eine Kolbenstange verbundeneElastomer-Membrane werden mit Druckluftwechselweise beaufschlagt und gleichsinnig be-wegt. Bei jedem Hub saugt die eine Membranedas Gut an, und die andere Membrane verdrängtes in die Förderleitung. Druckluftmembranpum-pen sind auch zur Flüssigkeitsförderung univer-sell verwendbar.

wird gleichzeitig neue Flüssigkeit in den Pumpen-körper eingesaugt. Die Verdrängerkörper kön-nen entweder oszillieren oder rotieren.Wichtige oszillierende Verdrängerpumpensind Hubkolbenpumpen und Membranpumpen.Rotierende Verdrängerpumpen sind z.B.Zahnradpumpen, Schraubenpumpen, Flügelzel-lenpumpen, Exzenterschneckenpumpen undSchlauchpumpen.Membranpumpen sind stopfbuchslose, unemp-findliche Verdrängerpumpen mit großer Lebens-dauer. Als Verdränger dient eine Membrane ausKunststoff oder Gummi, welche die Antriebsseitehermetisch von dem Flüssigkeitsraum abtrennt.Membranpumpen eignen sich als sog. Chemie-pumpen zum Fördern von Säuren, Laugen, Sus-pensionen und Schlämmen.Spezielle Verdrängerpumpen dienen als Dick-stoffpumpen zur Förderung steifer, pastöserSchlämme, z.B. in Klärwerken und Sondermüll-Verarbeitungsanlagen. Bild 1.5 zeigt als Beispieleine Rohrweichen-Kolbenpumpe. Die Pumpehat zwei hydrostatisch angetriebene Förderzylin-der. Im Bild saugt Zylinder 1 aus der mitSchlamm gefüllten Vorlage an, während gleich-zeitig Zylinder 2 in ein C-förmiges Rohr fördert.Haben die Kolben ihre Totlagen erreicht, wirddas Rohr vor die Öffnung von Zylinder 1 ge-schwenkt (Rohrweiche). Jetzt saugt Zylinder 2an, und Zylinder 1 fördert. Förderbar sindSchlämme mit bis zu 50% Feststoffanteil (stich-fest) mit Fremdkörpern bis zur Größe der lichtenRohrweite. Förderdruck bis 120 bar, Förder-strom bis 250 m3/h.Bei den Zentrifugalpumpen – Kreiselpumpen– wird die Flüssigkeit von einem Laufrad inrasche Rotation versetzt und von den Laufschau-feln von innen radial nach außen geleitet. DieFliehkraft erteilt dabei der Flüssigkeit Geschwin-

Bild 1.5 Dickstoff-Rohrweichen-Kolben-pumpe (nach Putzmeister)

1.5.3 FlüssigkeitsförderungFördermittel für Flüssigkeiten sind Pumpen.Nach der Wirkungsweise unterscheidet man Ver-drängerpumpen und Zentrifugalpumpen.Bei denVerdrängerpumpenwird die Flüssigkeitdurch Verdrängerelemente (z.B. Kolben, Zahnrä-der, Schraubenspindeln, Schnecken, Flügel oderTrochoiden) aus dem Pumpenkörper in dieDruckleitung verdrängt. Durch die Verdrängung


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digkeitsenergie, die dann im Gehäuse in Druck-energie (Förderhöhe) umgesetzt wird. Maßge-bend für die Energieumwandlung in der Zentrifu-galpumpe ist die Bernoullische Gleichung.Wichtige Zentrifugalpumpen sind radial fördern-de Kreiselpumpen und axial fördernde Propel-lerpumpen. Bei stopfbuchslosen Kreiselpumpen– Chemiepumpen – wird der Flüssigkeitsraumhermetisch von der Umgebung abgeschlossen.Das erreicht man durch Paramagnetantrieb oderdurch Spaltrohrmotor.SelbstansaugendeKreiselpumpen tragenaufderPumpenwelle als Hilfsvakuumpumpe eine Was-serringpumpe.Seitenkanal-Kreiselpumpen eva-kuieren ohne Hilfseinrichtung die Saugleitungund saugen die Flüssigkeit selbsttätig an; sie kön-nen Flüssigkeits-Gas-Gemische fördern (bis 30Vol.-% Gasanteil).Propellerpumpen werden zum Fördern großerFlüssigkeitsmengen auf geringen Förderhöhen ein-gesetzt; sie eignen sich als Umwälzpumpen inVerdampferanlagen oder zum Fördern von Dick-stoffen, Schlämmen und von Kristallbrei.Häufig findet man als Chemiepumpen Exzenter-schneckenpumpen, die unter dem NamenMoh-nopumpen allgemein bekannt sind (Bild 1.6).Förderstrom Vo , Förderhöhe H, Drehzahl n, Leis-tung P und Laufrad-Außendurchmesser D sindbei zwei geometrisch ähnlichen Zentrifugalpum-pen-Ausführungen durch folgende Ähnlichkeits-gesetze miteinander verknüpft:

Diese Beziehungen gelten auch für die Zentrifu-galverdichter.Zwischen Verdrängerpumpen und Zentrifugal-

pumpen besteht ein wesentlicher hydrodynami-scher Unterschied:Bei Zentrifugalpumpen erfolgt eine Umwandlungvon Geschwindigkeitsenergie (dynamischerEnergie) inDruckenergie (statische Energie) undumgekehrt. Bei den Verdrängerpumpen findetkeine derartige Energieumwandlung statt.Die Verdrängung vollzieht sich im Bereich stati-scher Druckenergie. Bedingt durch die Energie-umwandlungsverluste sind daher die Wirkungs-grade von Zentrifugalpumpen niedriger als dievon Verdrängerpumpen.BeidenPumpenarten ist gemeinsam, dass dieFlüs-sigkeit durch einen im Pumpenkörper erzeugtenUnterdruck angesaugt wird. Der äußere Luft-druck drückt die Flüssigkeit in den Pumpenkör-per. Daraus folgt:

Die Saughöhe der Pumpe ist begrenzt durchdie Differenz zwischen Luftdruck und er-zeugtem Unterdruck. Theoretisch beträgtdie Saughöhe für Wasser 10 m, praktisch nuretwa 7 m.

Die Antriebsleistung ergibt sich für Verdränger-und Zentrifugalpumpen aus der (auch für Zentri-fugalverdichter gültigen) Gleichung:

Hierin ist: Vo Volumenstrom in m3/s; p Förder-druck in bar; hgesGesamtwirkungsgrad; P Leis-tung in kW; H Förderhöhe in m; u Dichte inkg/m3; g Fallbeschleunigung in m/s2.Tabelle 1.6 bringt einen Vergleich der Eigenschaf-ten von Verdränger- und Zentrifugalpumpen. Au-ßer diesen beiden dominierenden Pumpengrup-pen findet man in der Verfahrenstechnik haupt-sächlich noch Treibmittelpumpen und Druckgas-pumpen.Treibmittelpumpen (Strahlpumpen) haben keinebewegten Teile; sie saugen und fördern Flüssig-keiten mit Hilfe von Treibmittelstrahlen, die mithoher Geschwindigkeit aus einer Treibdüse aus-treten. In der Treibdüse entsteht durch die Umset-zung von statischer Energie in Geschwindigkeits-energie ein Unterdruck, der die Förderflüssigkeitansaugt. Eine der Treibdüse nachgeschalteteMischdüse wandelt imDiffusor die Geschwindig-keitsenergie des aus Treibmittel und Fördermittel

Bild 1.6 Exzenterschneckenpumpe

nn

nn

nn

V

VDD

HH

DD

PP

DD

2

1

2

1

23

13

2

1

22

12

22

12

2

1

23

13

25

15

= = = =

= =

oo

h hu

oderV

PV p

PH g100

1000ges ges

$ $$

$ $ $= =

o o


19

Tabelle 1.6 Fördermittel für Flüssigkeiten

Art Bauform Förder-druckin bar

Förder-strom-in m3/h

Förder-weise

Eigenschaften

Verdränger-

pumpen,hin-

undhergehend

Kolbenpumpeeinstufig

…30 …20 absatz-weise

Förderstrom unabhängig vonFörderhöhe, große Förderhö-hen bei Mehrzylinderbauwei-se, Ventile erforderlich, güns-tiger Wirkungsgrad, lang-samlaufender Antrieb erfor-derlich

Kolbenpumpemehrstufig

…1000 …400

Membran-pumpe

…20 …300

Verdrängerpum

-pen,

rotierend

Zahnrad-pumpe

10…100 …300 stetig Keine Ventile, geringerPlatzbedarf. Zur Förderungzäher Stoffe geeignet, För-derstrom proportional derDrehzahl, rasch laufenderAntrieb möglich

Schrauben-pumpe

…20 …200

Kreiskolben-pumpe

…20 …200

Zentrifugalpumpen

Kreisel-pumpeeinstufig

…30 …2000 stetig Große Drehzahl, Kupplungmit schnelllaufenden Antrie-ben, keine Ventile, geringerPlatzbedarf, unempfindlichergegen Verunreinigungen,Förderstrom und Förderhöhevoneinander abhängig, großeFörderströme

Kreisel-pumpemehrstufig

…400 …3500

Seitenkanal-pumpe, ein- undzweistufig

20…40 …25

Propeller-pumpe

…2 …100 000

bestehenden Gemischs (teilweise) in Druck um.Als Treibmittel wird Dampf eingesetzt, wenn sichdas Kondensat mit dem Fördergut vermischendarf.Der Förderstrom der Dampfstrahlpumpen liegtbei rd. 20 m3/h, die Förderhöhe bei 5 bar. DerGesamtwirkungsgrad ist gering (2…15%).Druckgaspumpen sind Heber, bei denen alsTreibmittel Gas verwendet wird. Bei der Mam-mutpumpe (Bild 1.7) wird Druckluft am unterenEnde der Steigleitung zugeführt. Es entsteht einFlüssigkeits-Luft-Gemisch, dessen Dichte uM nied-riger ist als die Dichte u der angesaugten Flüssig-keit. Infolgedessen wird das Gemisch hochge-drückt nach der Gleichgewichtsbeziehung: HE · u= (H + HE) · uM . Die Förderhöhe ist also durchEintauchtiefe HE und Dichteverhältnis u/uM be-grenzt : H = HE· (u/uM – 1). Bild 1.7 Arbeitsprinzip einer Mammutpumpe


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Tabelle 1.7 Fördermittel für gasförmige Stoffe

Art Bauform hauptsächlicheAnwendung

Druckver-hältnisje Stufe

Förder-stromin m3/h

Eigenschaften

Verdrängermaschinen

oszillierend

Hubkolben-verdichter

Kompressor,Gebläse

…7 500…25 000

Erzeugung hoher Drücke(bis 7000 bar), Ventile er-forderlich, absatzweiseFörderung, niedrige För-derströme

Membran-verdichter

Kompressorfür ölfreieDruckluft

…15 …100

rotierend

Schrauben-verdichter

Kompressor,Gebläse

…5 200…40 000

KleineAbmessungen,gleichmäßigeFörderung,keine Ventile,niedrige Drücke

Vielzellen-verdichter

Kompressor,Gebläse

…4 250…7500

Kreiskolben-verdichter

Gebläse …2,5 200…18 000

Turbo-

maschinen

Radial-verdichter

Kompressor,Gebläse,Ventilator

4…12 1500…400 000

Große Gasreinheit, gerin-ge Massenkräfte, hoheDrehzahlen, große För-derströme

Axialver-dichter

Gebläse,Ventilator

1,1…6 50 000…1 000 000

Mammutpumpen eignen sich zum Umpum-pen von aggressiven und stark verunreinigtenStoffen. Erreichbar sind H = 60 m undhges = 30…50%.Druckfässer, sog. Montejus, fördern aggressiveFlüssigkeiten mit Hilfe eines über dem Flüssig-keitsspiegel liegenden Luft-, Gas- oder Dampf-polsters als Treibmittel. Das Treibmittel drücktdas Fördergut durch ein bis zum Faßboden rei-chendes Steigrohr. Druckfässer sind häufig mitRührwerken und anderen Apparaturen gekop-pelt.

schen 1,3 und 3 bar. Ventilatoren arbeiten in ei-nem knapp über dem Atmosphärendruck liegen-den Druckbereich (1…1,3 bar).Nach der Wirkungsweise unterteilt man die Ver-dichter in Kolbenmaschinen und Turbomaschi-nen. Ventilatoren werden nur als Turbomaschi-nen gebaut.Bei den Kolbenmaschinen (Verdrängermaschi-nen) kennt man Hubkolben- und Drehkolben-verdichter (Vielzellen-Rotationsverdichter undSchraubenverdichter). Die Turboverdichter wer-den als Radial- und Axialmaschinen hergestellt.Die Wirkungsweise der Kolbenmaschinen beruhtauf der Verdrängung eines Luftvolumens durchoszillierende oder umlaufende Verdrängerele-mente, z.B. durch Kolben oder Flügel. Turboma-schinen verdichten das Gas mit Hilfe der Flieh-kraft, die durch die Rotation eines Laufrades er-zeugt wird. Darüber hinaus werden in Sonder-fällen Treibmittelverdichter eingesetzt, die mitDampf oder Druckwasser als Treibmittel Gaseansaugen, verdichten und fördern.

1.5.4 Gasförderung

Die Förderwege der Gasförderung sind Rohrlei-tungen, Kanäle und Schächte; die Fördermittelsind Verdichter, die nach Höhe des Förderdrucksin Kompressoren, Gebläse und Ventilatoren un-terteilt werden.Kompressoren erzeugen Gasdrücke zwischen 3und 5000 bar. Gebläse fördern mit Drücken zwi-


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nach DIN 28 400 unterteilt in Verdrängerpumpen,Turbopumpen, Treibmittelpumpen, Sorptions-pumpen und Kryopumpen.Mit Verdrängerpumpen – Drehkolben-, Dreh-schieber- und Rootspumpen – sowie Turbopum-pen wird Grob- und Feinvakuum erzeugt.Treibmittelpumpen sind z.B. die in derVerdamp-fertechnik oft eingesetzten Dampfstrahlpumpen.Wasserdampf dehnt sich hier in einer Überschall-düse aus und erzeugt einen Unterdruck. DurchHintereinanderschaltung mehrerer Dampf-strahlpumpen, z.B. beim Kristallisieren, erreichtman den Feinvakuumbereich.Quecksilberdampf- oder Öldampf-Diffusions-pumpen gehören ebenfalls zu den Treibmittel-pumpen. Durch Diffusion treten die Gasmolekülein die Düse ein. Dort wird die Stoßenergie desTreibmittel-Dampfstrahls auf das Gas übertra-gen, wodurch die Gasförderung zustande kommt.Diffusionspumpen eignen sich zur Erzeugung vonHoch- und Ultrahochvakuum.In den Sorptionspumpen dienen Sorptionsmittel,z.B. Aktivkohle oder Aluminiumsilikate (Zeoli-the), zur laufenden Beseitigung der Gase aus ei-nem Raum durch chemische oder physikalischeBindung.Kryopumpen sind Gaskondensatoren, die mitflüssigem Wasserstoff oder Helium gekühlt wer-den. Der zu evakuierende Raum wird mit Kühl-flächen ausgekleidet. Alle Gase mit höherem Tau-punkt als die Kühlmitteltemperatur werden flüs-sig oder fest niedergeschlagen. Sehr große Saug-leistungen sind erreichbar (…107 m3/h).

lagen wird einerseits bestimmt durch die Mög-lichkeiten und Grenzen der Mess- und Rege-lungstechnik und andererseits durch die Kennt-nis der quantitativen Zusammenhänge zwischenBetriebsbedingungen undQualität des Endpro-dukts.

Messen ist ein Vorgang, bei dem der Werteiner physikalischen Größe – Messgrößegenannt – erfasst und als Vielfaches seinerEinheit ermittelt wird.

Wichtige Messgrößen in der Verfahrenstechniksind: Höhenstand (Füllstand), Druck, Viskosität,

1.6 Messen, Steuern und Regeln

Kompressoren verwendet man in der Ver-fahrenstechnik, um gasförmige Roh-, Zwi-schen- und Fertigprodukte auf die für dieStoffumwandlung oder Lagerung erforderli-che Druckhöhe zu verdichten. Gebläse undVentilatoren werden zur Förderung undUmwälzung von Gasen eingesetzt, wenn nurniedrige Druckunterschiede zu überwindensind.

Tabelle 1.7 zeigt eineGegenüberstellungderKom-pressoren, Gebläse und Ventilatoren.

Zahlreiche Stoffumwandlungsverfahren laufenbei Unterdruck (Vakuum) ab, z.B. Verdampfungund Rektifikation. Der notwendige Unterdruckwird mit Pumpen erzeugt. In der Unterdruck-technik unterscheidet man nach DIN 28 400 vierVakuumbereiche mit folgenden Unterdrücken:

Grobvakuum: 103…1 mbar = 760…0,75 Torr

Feinvakuum: 1 …10–3 mbar =0,75…7,5 · 10–4 Torr

Hochvakuum: 10–3…10–6 mbar =7,5 · 10–4…7,5 · 10–7 Torr

Ultrahochvakuum: unter 10–6 mbar =unter 7,5…10–7 Torr

Die zur Unterdruckerzeugung eingesetzten Pum-pen – auch Vakuumpumpen genannt – werden

Die in den Produktionsanlagen ablaufenden Vor-gänge werden ständig überwacht. Falls erforder-lich, muss von Hand oder durch Automatik in denProduktionsablauf eingegriffen werden. ZurÜberwachung und Führung der Stoffumwand-lungsverfahren mit dem Ziel optimaler Betriebs-führung werden eingesetzt:1. Messen und gegebenenfalls Fernmessen und

Fernübertragen der Messwerte.2. Steuern des Verfahrensablaufes durch wie-

derholte Schalt- oder Stellimpulse.3. Regeln unter ständigem Zusammenspiel von

Messen, Verstellen und Nachstellen zur Ein-haltung eines vorgegebenen Sollzustands.

Die Automatisierung verfahrenstechnischer An-


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