Christen Praxiswissen der chemischen Verfahrenstechnik

Handbuch für Chemiker und Verfahrensingenieure
1. Auflage 2005
ISBN: 978-3-540-26826-0
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 690 Seiten

Reihe: Life Science and Basic Disciplines (German Language)

Ein umfassendes Werk der chemischen Verfahrenstechnik. Projektierung, Werkstoffe, Reaktionstechnik, Strömungslehre, Wärme- und Stofftransport, mechanische und thermische Einheitsverfahren, Regelungs- und Prozessleittechnik werden ausgehend von den theoretischen Grundlagen bis hin zu komplexen Beispielen aus der Praxis einheitlich dargestellt.

Prof. Dr. Daniel. S. Christen ist seit 1988 für die chemische Industrie tätig. Nach einem Anfang als Projektingenieur war er schließlich weltweiter Produktionsexperte und Werkskoordinator eines bedeutenden chemischen Großkonzerns. Seit 1995 ist er vollamtlicher Dozent an der Berner Fachhochschule in Burgdorf.

Autoren/Hrsg.

Christen, Daniel S.

Inhaltsverzeichnis

1;Vorwort;5
2;Aufbau des Buches;7
3;Inhalt;9
4;Teil I Grundlagen;20
4.1;1 Einführung;21
4.1.1;1.1 Definitionen;21
4.1.2;1.2 Fachorganisationen;26
4.1.3;1.3 Maßeinheiten;29
4.1.4;1.4 Fragen aus der Praxis;36
4.1.5;1.5 Literatur;36
4.2;2 Projektierung;38
4.2.1;2.1 Maßstabsvergrößerung;38
4.2.2;2.2 Planung von Chemieanlagen;50
4.2.3;2.3 Projektmanagement;58
4.2.4;2.4 Zeit- und Ressourcenplanung;66
4.2.5;2.5 Fragen aus der Praxis;74
4.2.6;2.6 Literatur;75
4.3;3 Werkstoffe;76
4.3.1;3.1 Mechanische Eigenschaften;76
4.3.2;3.2 Korrosion;88
4.3.3;3.3 Korrosionschutz;95
4.3.4;3.4 Eisen & Stahl;105
4.3.5;3.5 Nicht-Eisenmetalle;113
4.3.6;3.6 Keramiken;127
4.3.7;3.7 Kunststoffe;138
4.3.8;3.8 Naturstoffe;159
4.3.9;3.9 Fragen aus der Praxis;161
4.3.10;3.10 Literatur;162
4.4;4 Reaktionstechnik;164
4.4.1;4.1 Begriffe;164
4.4.2;4.2 Reaktoren;169
4.4.3;4.3 Stoffbilanzen;180
4.4.4;4.4 Verweilzeitverteilung;186
4.4.5;4.5 Fragen aus der Praxis;190
4.4.6;4.6 Literatur;191
4.5;5 Berechnungen und Antworten zu Teil I;192
4.5.1;5.1 Einführung;192
4.5.2;5.2 Projektierung;193
4.5.3;5.3 Werkstoffe;195
4.5.4;5.4 Reaktionstechnik;196
5;Teil II Ausgleichsvorgänge;199
5.1;6 Strömungslehre;201
5.1.1;6.1 Einleitung;201
5.1.2;6.2 Strömung ohne Reibung;203
5.1.3;6.3 Strömung mit Reibung;206
5.1.4;6.4 Rohrströmung;212
5.1.5;6.5 Filmströmung;226
5.1.6;6.6 Impulskraft;230
5.1.7;6.7 Rheologie;232
5.1.8;6.8 Fragen aus der Praxis;242
5.1.9;6.9 Literatur;245
5.2;7 Wärmeübertragung;246
5.2.1;7.1 Einleitung;246
5.2.2;7.2 Strahlung;248
5.2.3;7.3 Wärmeleitung;258
5.2.4;7.4 Konvektion;274
5.2.5;7.5 Wärmedurchgang;292
5.2.6;7.6 Wärmeübertrager;305
5.2.7;7.7 Fragen aus der Praxis;317
5.2.8;7.8 Literatur;318
5.3;8 Stofftransport;319
5.3.1;8.1 Einleitung;319
5.3.2;8.2 Diffusion;321
5.3.3;8.3 Konvektion;331
5.3.4;8.4 Stoffdurchgang;339
5.3.5;8.5 Stofftransport und chemische Reaktion;350
5.3.6;8.6 Stofftransport und Wärmeübertragung;356
5.3.7;8.7 Analogien des Impuls-, Wärme- und Stofftransports;361
5.3.8;8.8 Fragen aus der Praxis;366
5.3.9;8.9 Literatur;366
5.4;9 Berechnungen und Antworten zu Teil II;368
5.4.1;9.1 Strömungslehre;368
5.4.2;9.2 Wärmeübertragung;377
5.4.3;9.3 Stofftransport;381
6;Teil III Grundoperationen;385
6.1;10 Mischen, Rühren;388
6.1.1;10.1 Einleitung;388
6.1.2;10.2 Rührertypen;389
6.1.3;10.3 Strömungsbild;390
6.1.4;10.4 Wahl des Rührertyps;392
6.1.5;10.5 Leistungsbedarf eines Rührwerks;392
6.1.6;10.6 Statische Mischer;394
6.1.7;10.7 Fragen aus der Praxis;395
6.1.8;10.8 Literatur;396
6.2;11 Sedimentieren;397
6.2.1;11.1 Definition;397
6.2.2;11.2 Maßgebende Kräfte;398
6.2.3;11.3 Strömung um ein kugelförmiges Teilchen;399
6.2.4;11.4 Sinkgeschwindigkeit beliebig geformter Teilchen;402
6.2.5;11.5 Sinkgeschwindigkeit eines Teilchenschwarms;404
6.2.6;11.6 Auslegung von Sedimentationsapparaten;405
6.2.7;11.7 Fragen aus der Praxis;406
6.2.8;11.8 Literatur;407
6.3;12 Verdampfen;408
6.3.1;12.1 Begriffe und Definitionen;408
6.3.2;12.2 Verdampfungsarten;417
6.3.3;12.3 Verdampferbauarten;426
6.3.4;12.4 Fragen aus der Praxis;434
6.3.5;12.5 Literatur;435
6.4;13 Kondensieren;436
6.4.1;13.1 Begriffe und Definitionen;436
6.4.2;13.2 Wärmeübergang bei Filmkondensation;438
6.4.3;13.3 Kondensatorbauarten;443
6.4.4;13.4 Fragen aus der Praxis;446
6.4.5;13.5 Literatur;446
6.5;14 Destillation;448
6.5.1;14.1 Einleitung;448
6.5.2;14.2 Physikalische Grundlagen;449
6.5.3;14.3 Destillationsverfahren;465
6.5.4;14.4 Fragen aus der Praxis;473
6.5.5;14.5 Literatur;473
6.6;15 Rektifikation;475
6.6.1;15.1 Einleitung;475
6.6.2;15.2 Berechnung der theoretischen Stufenzahl;478
6.6.3;15.3 Einbauten von Rektifikationskolonnen;492
6.6.4;15.4 Dimensionierung einer Rektifikationskolonne;501
6.6.5;15.5 Sonderfälle der Rektifikation;509
6.6.6;15.6 Fragen aus der Praxis;516
6.6.7;15.7 Literatur;517
6.7;16 Trocknung;519
6.7.1;16.1 Einleitung;519
6.7.2;16.2 Zustandsänderung des feuchten Guts;524
6.7.3;16.3 Zustandsänderung der feuchten Luft;530
6.7.4;16.4 Trocknungsapparate;542
6.7.5;16.5 Fragen aus der Praxis;557
6.7.6;16.6 Literatur;558
6.8;17 Berechnungen und Antworten zu Teil III;560
6.8.1;17.1 Mischen, Rühren;560
6.8.2;17.2 Sedimentieren;561
6.8.3;17.3 Verdampfen;562
6.8.4;17.4 Kondensieren;565
6.8.5;17.5 Destillation;567
6.8.6;17.6 Rektifikation;570
6.8.7;17.7 Trocknung;574
7;Teil IV Regelungstechnik;579
7.1;18 Einleitung in die Regelungstechnik;581
7.1.1;18.1 Aufgabe einer Regelung;581
7.1.2;18.2 Begriffe und Bezeichnungen;582
7.1.3;18.3 Beispiele von Regelungen;583
7.1.4;18.4 Fragen aus der Praxis;586
7.2;19 Steuerung und Regelung;587
7.2.1;19.1 Wirkungsplan;587
7.2.2;19.2 Steuerung;590
7.2.3;19.3 Regelung;592
7.2.4;19.4 Fragen aus der Praxis;597
7.3;20 Übertragungsverhalten;598
7.3.1;20.1 Beharrungskennlinie;599
7.3.2;20.2 Dynamische Eingangsfunktionen;600
7.3.3;20.3 Sprungantworten;600
7.3.4;20.4 Frequenzgänge;610
7.3.5;20.5 Fragen aus der Praxis;614
7.4;21 Reglertypen;615
7.4.1;21.1 Stetige Regler;617
7.4.2;21.2 Unstetige Regler;621
7.4.3;21.3 Fragen aus der Praxis;625
7.5;22 Regelgüte;627
7.5.1;22.1 Führungsverhalten;627
7.5.2;22.2 Störverhalten;629
7.5.3;22.3 Bewertung der Regelgüte;630
7.5.4;22.4 Bewertung der Regelbarkeit;633
7.5.5;22.5 Fragen aus der Praxis;635
7.6;23 Einstellregeln für industrielle Regler;637
7.6.1;23.1 Ziegler-Nichols;638
7.6.2;23.2 Chien-Hrones-Reswick;639
7.6.3;23.3 T-Summen-Regel;640
7.6.4;23.4 Fragen aus der Praxis;642
7.7;24 Komplexe Regelsysteme;643
7.7.1;24.1 Split-Range-Regelung;643
7.7.2;24.2 Kaskadenregelung;645
7.7.3;24.3 Verhältnisregelung;647
7.7.4;24.4 Fragen aus der Praxis;649
7.8;25 Prozessleittechnik;650
7.8.1;25.1 Entwicklung der Prozessleittechnik;650
7.8.2;25.2 Aufbau eines Prozessleitsystems;653
7.8.3;25.3 Funktionen eines Prozessleitsystems;654
7.8.4;25.4 Darstellungen im Prozessleitsystem;656
7.8.5;25.5 Sicherheit computergesteuerter Anlagen;657
7.8.6;25.6 Fragen aus der Praxis;659
7.9;26 Berechnungen und Antworten zu Teil IV;661
7.9.1;26.1 Einleitung;661
7.9.2;26.2 Steuerung und Regelung;662
7.9.3;26.3 Übertragungsverhalten;665
7.9.4;26.4 Reglertypen;668
7.9.5;26.5 Regelgüte;671
7.9.6;26.6 Einstellmethoden für industrielle Regler;673
7.9.7;26.7 Komplexe Regelsysteme;676
7.9.8;26.8 Prozessleittechnik;678
7.10;27 Literatur zur Regelungstechnik;681
7.10.1;27.1 Normenwerke;681
7.10.2;27.2 Lehrbücher;681
7.10.3;27.3 Fachaufsätze;682
8;Sachverzeichnis;683

Leseproben

4 Reaktionstechnik (S. 147-148)

4.1 Begriffe

Die chemische Reaktionstechnik befasst sich mit der sicheren und umweltverträglichen Umsetzung einer chemischen Reaktion aus dem Labor in den technischen Maßstab. Im Zentrum steht die Auslegung eines chemischen Reaktors im Hinblick auf seine Form, Größe und Betriebsweise bei gegebener Reaktion und verlangter Produktionsleistung. Voraussetzungen dafür sind fundierte und detaillierte Kenntnisse über die Stöchiometrie, Reaktionskinetik und Thermodynamik aller möglichen Reaktionen inklusive der Bildung von Nebenprodukten.

Homogene und heterogene Reaktionen

Ein Reaktionsgemisch, d.h. das Gemisch, in dem die Reaktion stattfindet, besteht üblicherweise aus Rohstoffen, Hilfsmitteln und Begleitstoffen (Reaktanden, Lösungsmittel, Katalysatoren, Produkten, Nebenprodukten, Verunreinigungen, Verdünnungsmittel, Inertstoffe etc.). Das Reaktionsgemisch kann entweder homogen (einphasig) oder heterogen (mehrphasig) sein. Entsprechend unterscheidet man homogene und heterogene Reaktionen. Eine homogene Reaktion läuft in einer einzigen Phase ab, die alle für die Reaktion notwendigen Komponenten enthält. Die Phase kann gasförmig oder flüssig sein. Bei einer homogenen Reaktion in flüssiger Phase müssen alle Komponenten in einander löslich sein. Bei einer heterogenen Reaktion besteht das Reaktionsgemisch aus mindestens zwei verschiedenen Phasen, z.B. gasförmig-flüssig, gasförmig-fest, flüssig-flüssig oder flüssig-fest. Die Phasen sind hier miteinander auf molekularer Ebene nicht mischbar. Die Reaktion beruht auf dem Stoffaustausch mindestens einer Komponente über die Phasengrenze hinweg.

Strömungsführung

Die Strömungsführung zweier nicht mischbarer stofflicher Phasen in einem Reaktor kann gleichsinnig, gegensinnig, kreuzweise oder stationär durchdringend sein. Bei Gleichstrom treten beide Stoffströme auf der gleichen Seite in den Reaktor ein, verlaufen innerhalb des Reaktors parallel und treten beide auf der anderen Seite des Reaktors wieder aus. Bei Gegenstrom tritt ein Stoffstrom am Austrittsort des anderen in den Reaktor ein, und umgekehrt. Innerhalb des Apparates verlaufen die Stoffströme antiparallel. Bei Kreuzstrom verlaufen die Stoffströme innerhalb des Apparates im rechten Winkel zu einander. Bei Teilstrom ist der eine Stoffstrom ortsfest, während der zweite durch ihn hindurch fließt. Die verschiedenen Arten der Strömungsführung sind in der Abb. 4.1 schematisch dargestellt.