Grundbegriffe der Verfahrenstechnik

Mit Aufgaben und Lösungen
3. vollständig überarbeitete Auflage 2012
ISBN: 978-3-527-33174-1
Verlag: Wiley VCH Verlag GmbH

Buch, Deutsch, 306 Seiten, Format (B × H): 177 mm x 248 mm, Gewicht: 749 g

Der unentbehrliche Begleiter für Studium und Beruf liegt jetzt in seiner aktualisierten und erweiterten dritten Auflage vor. Das Buch behandelt die physikalischen und chemischen Grundlagen der Verfahrenstechnik anhand von Beispielen und Fallstudien. In anschaulicher Weise werden Themen wie Fluidmechanik, Mehrstoffthermodynamik, Stoffaustausch, Wärmeübertragung und Reaktionskinetik erläutert, ohne hierbei den Bezug zur Praxis zu verlieren.
 
Zahlreiche Aufgaben und ausführlich beschriebene Lösungswege, die auf einen maximalen Lerneffekt abzielen, runden das Werk ab.
Gerichtet an Verfahrenstechniker, Ingenieure, Chemiker, Umweltwissenschaftler, Biotechnologen und alle Verfahrenstechnik-Interessierte.

Autoren/Hrsg.

Worthoff, Rüdiger

Siemes, W.

Fachgebiete

• Technische Wissenschaften Verfahrenstechnik | Chemieingenieurwesen | Biotechnologie Chemische Verfahrenstechnik

Inhaltsverzeichnis

EINLEITUNG
 
ÄHNLICHKEITSTHEORIE UND DIMENSIONSANALYSE
Grundprinzipien
Physikalische Ähnlichkeit
Modelltheorie
Möglichkeiten der Kennzahlbestimmung
 
CHEMISCHE THERMODYNAMIK
Grundbegriffe
Abgeleitete Zustandsgrößen und Gleichgewichtsbedingungen
Mischphasen und Mehrphasen-Systeme
Reaktionssysteme
 
GRENZFLÄCHEN UND PARTIKEL
Thermodynamik der Grenzflächen
Zweiphasen-Systeme
Dreiphasen-Systeme
Partikel
 
FLUIDDYNAMIK
Grundlagen
Laminarströmung und Turbulenz
Integration der Grundgleichungen
Einige Anwendungen der Strömungslehre
 
WÄRMEDURCHGANGSPROZESSE
Grundbeziehungen für den Wärmetransport
Wärmeübergang und -durchgang
Berechnung von Wärmetauschern
 
STOFFAUSTAUSCHPROZESSE
Grundbeziehungen für den Stoffaustausch
Berechnung von Stoffaustauschapparaten
Berechnung über die Stoffdurchgangszahl
Berechnung über die Trennstufe
Optimierung von Stoffaustauschapparaten
 
TECHNISCHE REAKTIONSFÜHRUNG
Bedeutung der technischen Reaktionsführung
Chemische Reaktion
Reaktionsapparate
Ideale Reaktoren
Kombination und Optimierung idealer Reaktoren
Rückführung nicht umgesetzter Komponenten
Verweilzeitverteilung
Kalorische Effekte
Stabilität
 
MATHEMATISCHER ANHANG
Koordinatennetze
Partielle Differenzialquotienten und das totale Differenzial
Häufigkeitsverteilungen
 
LÖSUNGEN DER AUFGABEN
 
LITERATUR

Einleitung XI

1 Ähnlichkeitstheorie und Dimensionsanalyse 1

1.1 Grundprinzipien 1

1.2 Physikalische Ähnlichkeit 4

1.3 Modelltheorie 7

1.4 Möglichkeiten der Kennzahlbestimmung 11

2 Chemische Thermodynamik 17

2.1 Grundbegriffe 17

2.1.1 Abgrenzung der chemischen Thermodynamik 17

2.1.2 Größen der chemischen Thermodynamik 19

2.1.3 Thermische Zustandsgleichung 21

2.2 Hauptsätze 25

2.2.1 Innere Energie und 1. Hauptsatz 25

2.2.2 Entropie, 2. und 3. Hauptsatz 29

2.3 Abgeleitete Zustandsgrößen und Gleichgewichtsbedingungen 32

2.4 Mischphasen und Mehrphasen-Systeme 35

2.4.1 Mischphasen 35

2.4.2 Mehrphasengleichgewichte und das Einkomponenten-System 40

2.4.3 Zweiphasen-Systeme mit mehreren Komponenten 42

2.5 Reaktionssysteme 48

2.5.1 Reaktionsenergie 48

2.5.2 Reaktionsgleichgewicht 51

2.5.3 Reaktionskinetik 54

3 Grenzflächen und Partikel 61

3.1 Thermodynamik der Grenzflächen 61

3.2 Zweiphasen-Systeme 64

3.3 Dreiphasen-Systeme 65

3.4 Partikel 66

4 Fluiddynamik 73

4.1 Grundlagen 73

4.1.1 Strömungslehre und Rheologie 73

4.1.2 Differenzielle Form der Grundgleichungen 78

4.1.3 Integrale Form der Grundgleichungen 82

4.1.4 Bernoulli’sche Gleichung 87

4.2 Laminarströmung und Turbulenz 91

4.3 Integration der Grundgleichungen 94

4.3.1 Exakte Integration 94

4.3.2 Integration bei Vernachlässigung einzelner Terme 97

4.3.3 Teilintegration durch Dimensionsanalyse 100

4.4 Einige Anwendungen der Strömungslehre 101

4.4.1 Widerstand von Körpern in Strömungen 101

4.4.2 Druckverluste in Leitungen und Apparaten 105

4.4.3 Durchflussmessungen über Druckverluste 107

4.4.4 Druckverluste in Haufwerken 110

4.4.5 Zweiphasen-Strömungen 112

4.4.5.1 Wirbelschicht 112

4.4.5.2 Blasensäulen 113

4.4.5.3 Rieselfilme 114

5 Wärmedurchgangsprozesse 119

5.1 Grundbeziehungen für den Wärmetransport 119

5.1.1 Transportmechanismen 119

5.1.2 Wärmeleitung 120

5.1.3 Konvektiver Wärmetransport 125

5.1.4 Wärmestrahlung 127

5.2 Wärmeübergang und -durchgang 129

5.2.1 Ansatz für den Wärmeübergang 129

5.2.2 Wärmeübergang an einphasige Fluide 131

5.2.2.1 Wärmeübergangszahl bei erzwungener Konvektion 131

5.2.2.2 Längsströmung bei Rohren 133

5.2.2.3 Queranströmung von Rohren 136

5.2.2.4 Strömung längs ebener oder leicht gekrümmter Flächen 137

5.2.2.5 Wärmeübergangszahl bei freier Konvektion 137

5.2.3 Wärmeübergang bei Phasenumwandlungen 140

5.2.4 Wärmedurchgang 144

5.3 Berechnung von Wärmetauschern 146

5.3.1 Kalorische Apparate 146

5.3.2 Treibendes Temperaturgefälle 149

5.3.3 Auslegung und Optimierung 157

6 Stoffaustauschprozesse 161

6.1 Grundbeziehungen für den Stoffaustausch 161

6.1.1 Transportmechanismen 161

6.1.2 Stoffübergang 165

6.1.3 Stoffdurchgang 169

6.2 Berechnung von Stoffaustauschapparaten 173

6.3 Berechnung über die Stoffdurchgangszahl 173

6.3.1 Rektifikation 176

6.3.2 Absorption und Extraktion 177

6.4 Berechnung über die Trennstufe 181

6.4.1 Grundbeziehungen 181

6.4.2 Rektifikation binärer Mischungen 184

6.4.3 Absorption und Extraktion 190

6.4.4 Vielstoffsysteme 195

6.5 Optimierung von Stoffaustauschapparaten 196

7 Technische Reaktionsführung 199

7.1 Bedeutung der technischen Reaktionsführung 199

7.2 Chemische Reaktion 201

7.2.1 Stöchiometrie 201

7.2.2 Reaktionstechnische Begriffe 202

7.2.3 Makroreaktionskinetik 204

7.3 Reaktionsapparate 206

7.4 Ideale Reaktoren 208

7.4.1 Diskontinuierlich betriebener Rührkessel 208

7.4.2 Kontinuierlich betriebener Rührkessel 209

7.4.3 Strömungsrohr 210

7.4.4 Verweilzeiten 210

7.5 Kombination und Optimierung idealer Reaktoren 212

7.6 Rückführung nicht umgesetzter Komponenten 216

7.7 Verweilzeitverteilung 217

7.7.1 Grundbegriffe 217

7.7.2 Umsatzgrad und Verweilzeitspektrum 220

7.8 Kalorische Effekte 223

7.9 Stabilität 225

8 Mathematischer Anhang 229

8.1 Koordinatennetze 229

8.1.1 Funktionsleitern und rechtwinklige Netze 229

8.1.2 Dreiecksnetz (Gibbs’sche Koordinaten) 234

8.2 Partielle Differenzialquotienten und das totale Differenzial 239

8.3 Häufigkeitsverteilungen 243

8.3.1 Relative Häufigkeit und Summenhäufigkeit 243

8.3.2 Mittel- und Streuwerte 246

8.3.3 Spezielle Häufigkeitsverteilungen 249

9 Lösungen der Aufgaben 253

10 Literatur 293

Index 297

Über Autor(innen)

Rüdiger H. Worthoff hat an der RWTH-Aachen promoviert und war nach wissenschaftlicher Tätigkeit am Institut für Verfahrenstechnik sachverständiger Gutachter bei einer technischen Überwachungsorganisation und Professor für Verfahrens- und Sicherheitstechnik. Heute ist er Berater für Sicherheitsfragen im Anlagen- und Apparatebau.
 
Wolfgang Siemes war nach Physik- und Psychologiestudium Professor für chemische Technik an der TU-Berlin und leitender Geschäftsführer und Vorstandsmitglied bei verschiedenen chemischen und pharmazeutischen Großunternehmen. Neben naturwissenschaftlichen Publikationen hat er sich auch als Buchautor auf dem Gebiet der Psychologie einen Namen gemacht.