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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
1. Mechanische Verfahrenstechnik: Wärme spielt keine Rolle
Zerkleinern: (Brechen)
Trennen: Fest/Flüssig-Trennung: Filtrieren, Zentrifugieren, Sedimentation
Fest/Fest-Trennung: Sieben, Magnetsortieung
Mischen: Feststoffe
Rühren: Flüssigkeiten
2. 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
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