Thermische Verfahrenstechnik - Fragenkatalog (aus ... - Bplaced.net

Grundlagen/Einleitung1. Beschreiben Sie einen Bilanzraum. Was ermöglicht eineBilanzraumbetrachtung?Eine tatsächlich vorhandene oder gedachte Bilanzhülle grenzt den Bilanzraum gegen seine Umgebung ab, so dassdie zu bilanzierenden Größen aus bekannten Größen berechenbar sind. Es können Bilanzgleichungen aufgestelltund gelöst werden (Stoff-, Energie-, Impulsbilanz). Die Basis für jede Bilanzierung bilden die Erhaltungssätzefür Masse, Energie und Impuls.Summe der in dasSystem eintretendenMengen(Transport)+Summe der im Systemdurch Umwandlunggebildeten oderverbrauchten Mengen(Reaktion)=Summe der aus demSystem austretendenMengen(Transport)+Zunahme der imSystem gespeichertenMengen(Akkumulation)Bilanzgleichungen können integral oder differentiell aufgestellt werden. Differentielle Bilanzgleichungen dienen zurBeschreibung von Vorgängen in differentiellen Volumenelementen oder an Phasengrenzflächen. Integrale Bilanzgleichungenwerden zur Berechnung der in ein System ein- bzw. austretenden Ströme benutzt.2. Beschreiben Sie die Vorteile der Ähnlichkeitstheorie.Ähnlichkeitstheorie: alle physikalischen Gesetze können durch dimensionslose Größen – Kennzahlen - beschrieben werden“Die Ähnlichkeitstheorie bietet die Möglichkeit, aus Differentialgleichungen – ohne sie zu lösen – sowie derenRandbedingungen und dem Miteinanderkombinieren der dimensionsbehafteten physikalischen Messgrößen Kennzahlenabzuleiten, mit deren Hilfe Gesetzmäßigkeiten aus Versuchsergebnissen erkennbar werden.“⇒ Modellgesetze: scale-up, scale-down- Verringerung des Aufwandes zur Darstellung eines physikalisch-technischen Sachverhaltes- Verringerung des Versuchaufwandes für die empirische Ermittlung der betreffenden Zusammenhänge- Verringerung der KostenBeispiel:3. Beschreiben Sie die relevanten dimensionslosen Kennzahlen für den StoffundWärmeübergang.- Reynoldssche Kennzahl:Ähnlichkeitskennzahl zur Berücksichtigung der erzwungenen Strömung beim Wärme- und StofftransportTrägheitskraftRe =innere Reibungskraft=w ⋅lυmitw ... Strömungsgeschwindigkeitl ... Längeυ ... kinematische ZähigkeitRe < 2300 : laminare StrömungRe > 2300 : turbulente Strömung

- Prandtlsche Kennzahl:Ähnlichkeitskennzahl zur Berücksichtigung der Stoffgrößen beim Wärmetransportinnere ReibungPr =Wärmeleitstromυ=amita ... Temperaturleitfähigkeit- Schmidsche Kennzahl:Ähnlichkeitskennzahl zur Berücksichtigung der Stoffgrößen beim StofftransportSc =innere ReibungDiffusionsstromυ=DmitD ... Diffusionskoeffizient- Nusseltsche Kennzahl:Ähnlichkeitskennzahl zur Berechnung des Übergangskoeffizienten beim WärmetransportNu =WärmeübergangsstromWärmeleitstromα ⋅l=λmitα ... Wärmeübergangskoeffizientλ ... Wärmeleitfähigkeit- Sherwoodsche Kennzahl:Ähnlichkeitskennzahl zur Berechnung des Übergangskoeffizienten beim StofftransportSh =StoffübergangsstromDiffusionsstromβ ⋅l=Dmitβ ... Stoffübergangskoeffizient

WärmeaustauschAusgleichsstrom (Wärmestrom) Q = Leitkoeffizient ⋅ Apparatgröße ⋅ GleichgewichtsstörungEnergiereichere, “wärmere“ Molekühle, geben ihre Energie in Form von Schwingungs-, Rotations-, und Translationsenergie anenergieärmere, “kältere“ Molekühle ab.Wärmeübergang: Wärme geht von fluiden Phasen auf eine andere, angrenzende Phase überWärmedurchgang: Wärme eines Fluids strömt durch eine feste Wand oder Phasengrenze zu einem zweiten FluidPrandtl´sche Grenzschicht: an der Wand haftende Fluidgrenzschicht, weist einen hohen thermischen Widerstand bei derWärmeleitung auf4. Wie lauten die Gleichungen des Wärme- und Stofftransportes, erklären Siedie Parameter.WärmetransportDreierlei Arten des Wärmetransportes (Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung) kommen häufig gleichzeitig vor,wobei eine Art dominiert. Gesetze des Wärmetransports gelten in gleicher Weise für Beheizen und Kühlen.- Wärmeleitung:durch Bewegung von Molekülenin Feststoffen und in ruhenden oder laminar strömenden Fluidschichten der Dicke < 1mmdTQ&= −λ⋅ A⋅W=dx2 K⋅ m ⋅⋅ K mWm- Konvektion:in bewegten, ihre Lage zueinander verändernde FluidschichtenQ&= α ⋅ A ⋅ ( T T )mitT W... WandtemperaturW −WW = ⋅ m2m ⋅ K- Wärmestrahlung:an freien OberflächenWellenlänge: Infrarot 0,8-15 µmZwei Körper unterschiedlicher Temperatur tauschen gegenseitig Energie durch Strahlung aus, derwärmere gibt mehr Energie ab als der kältere.44⎡ T1T ⎤2Q&⎛ ⎞ ⎛ ⎞= C1 ,2⋅ A ⋅ ⎢⎜⎟ − ⎜ ⎟ ⎥ = αST⋅ A ⋅ ( T1− T2)⎢⎣⎝100⎠ ⎝100⎠ ⎥⎦W 2 4W = ⋅ m ⋅ K2 4m ⋅ Kmit... Strahlungskoeffizient für parallele, nicht schwarze, ebene FlächenC 1,2Stofftransport2⋅ KAufgrund von Konzentrationsunterschieden einzelner Komponenten an verschiedenen Orten des Systems.Der Konzentrationsgradient führt zu einem Stofftransport vom Ort höherer Konzentration zu jenem niedrigerKonzentration.

T k,a ... Temperatur des kälteren Fluids am AnfangT k,e ... Temperatur des kälteren Fluids am Endez ... AustauschflächeT m ... Mischtemperaturmittlere logarithmische Temperaturdifferenz:∆Tm∆TA− ∆T=∆TAln∆TEEGleichstrommitAnfangstemperaturdifferenz ∆T A = T w,a - T k,aEndtemperaturdifferenz ∆T E = T w,e - T k,eGegenstrommit∆T A = T w,e - T k,a∆T E = T w,a - T k,ea) Gegenstromb) Gleichstrommit m 1 = warmes Fluidm 2 = kaltes Fluid∆T 1 = Temperaturänderung des warmen Fluids∆T 2 = Temperaturänderung des kalten Fluids

Bei geringen Temperaturänderungen sind Gleich- und Gegenstrom in der Effektivität gleichwertig, für größereTemperaturänderungen ist Gegenstrom vorzuziehen.Auslegung:Für einen geforderten Wärmestrom Q wird die Wärmeübertragungsfläche A und die Hauptabmessungen desWärmeüberträgers gesucht:Q&A =k ⋅ ∆k = f(w, λ, ρ, η, c p )λ, ρ, η, c p : Stoffdatenw: Strömungsgeschwindigkeit → ergibt sich aus Hauptabmessungen des Wärmeüberträgers⇒ da die Hauptabmessungen benötigt werden, kann das nichtlineare Gleichungssystem nur iterativ gelöstwerdengeringen Einfluss hat auch der Wärmeleitwiderstand des RohrwandwerkstoffesT m Rechenbeispiele:WärmeleitungBeispiel 1:Wärmestrom:TITQ&( −= λIP⋅ A ⋅∆ZTIQ&=− TA= ( TIPI− TZW ´W ´IPTWTQ&(´−= λZ⋅ A ⋅∆ZZHW ´´TWTAQ&(´´− )= λH⋅ A ⋅∆Z) + ( TA ⋅ ( TI− TA)∆ZIP∆ZZ∆Z+ +λ λ λ))HW ´H− TW ´´) + ( TW ´´Q&⋅ ∆Z− TA)=A ⋅ λIPIPQ&⋅ ∆Z+A ⋅ λZZQ&⋅ ∆Z+A ⋅ λHHWärmewiderstand:∆TR =Q&TI−T=Q&Zwischentemperaturen an den Schichtgrenzen:ATTW ´W ´´Q&⋅ ∆ZIP= TI−λIP⋅ AQ&⋅ ∆ZH= −Tλ ⋅ AHA

⇒⇒β 1N&⋅= cAK ,1− cG,1= cK*2− +cG,2+* N&+⎛ K 1 ⎞ N&1c2− cK ,2= ⋅= ⋅A⎜ +⎟⎝ β1β2 ⎠ A k2K⋅ K⎛ N&+⎜ = c G ,2− c⎝ β2⋅ A+,K ,2⎞⎟⎠Analog erhält man k 1 .11. Erklären Sie die Penetrationstheorien.- Flüssigkeitsoberfläche setzt sich aus zahlreichen Elementen zusammen- Verweilzeit τ an der Grenzfläche ist für alle Elemente gleich groß → andauernde Erneuerung durch frischeElemente- Kontakt zwischen Gas und Flüssigkeit ist sehr kurz- Konzentration der Übergangskomponente in den Elementen für τ = 0 ist c i,Kern- Stoffaustausch infolge konvektiver Mischbewegungen zwischen den Elementen ist ausgeschlossen-β=fl2⋅Dπ ⋅τ

Thermische Trennverfahren12. Diskutieren Sie die Unterschiede der kontinuierlichen unddiskontinuierlichen Betriebsweise.VergleichskriterienAuslegungMathematische Beschreibung desTrennvorganges, ModellierungKonstruktionkontinuierlicheinfacheroptimalBetriebsweisediskontinuierlicheinfach (erprobte Technik)begrenzte Apparatgröße(Parallelschaltung vieler Apparate)KostenInvestitionskosten der AnlageBetriebskostenBeanspruchung der AnlagenteilegeringergeringergeringerBetriebBedienbarkeit der AnlageAutomatisierung des Trennprozesseseinfachermit geringem AufwandmöglichFlexibilität bei Umstellung auf andere zubesserzerlegende GemischeBetriebsmittelbedarf gering hochAuslastungaktive Nutzungszeit geringhoch(Totzeit hoch)Mess- und Regeltechnik einfach hohe AnsprücheSicherheitUmweltbelastung, UnfallgefahrBetriebssicherheit, Flexibilität bei Ausfallvon Teilen der Anlage, SicherheitspuffergeringerhöherSonstigesKreisläufe erforderngrößeren Aufwand13. Erklären Sie den Unterschied zwischen Konzentrationen und Beladungen. Beiwelchen Verfahren werden bevorzugt Beladungen verwendet.Konzentrationen:- Stoffmengenkonzentration- Massenkonzentration- Volumenkonzentrationmρi=Vnci=ViLsgViσi=VLsgiLsg

Beladungen:- Massenbeladung Xm,i- Stoffmengenbeladungm=mXi−in,i=nni−iVerfahren: Absorption, Extraktion, Adsorption, Trocknen14. Beschreiben Sie die Gleichstrom- und Gegenstrombetriebsweise (Bilanzenund Beladungsdiagramme)Gleichstrom:BilanzG&⋅ YαG&⋅ Yα+ L&⋅ X+ L&⋅ Xαα= G&⋅Yω+ L&⋅ X= G&⋅Y+ L&⋅ XωGegenstrom:G&⋅ YαG&⋅ Y+ L&⋅ Xα= G&⋅Yω+ L&⋅ X = G&⋅Y+ L&⋅+ L&⋅ XαX ωω15. Was ist eine theoretische Trennstufe, zählen Sie die wichtigsten Theoriender Bestimmung von theoretischen Trennstufen auf.Theoretische Stufe: Abschnitt einer Trennkolonne, in der nach einem intensiven Phasenkontakt die ihnverlassenden Phasen im Phasengleichgewicht stehen. Der Zustandspunkt liegt auf derGleichgewichtskurve.Theorien:Beladungsdiagramm (z.B. Absorption, Extraktion)McCable-Thiele Diagramm (z.B. Rektifikation)Hunter-Nash16. Erläutern Sie das HTU/NTU Konzept inklusive Skizze und Herleitung.Für kontinuierlichen Betrieb besser geeignet.Gegenstrom, flüssige und dampfförmige Phase stehen nicht im Gleichgewicht→ Wärme- & Stoffaustausch, d.h. auf der differenziellen Wegstrecke dz ändert sich dieDampfzusammensetzung um dy und die Flüssigkeitszusammensetzung um dx⇒G & ⋅ y + L&⋅ x = G&⋅ ( y + dy)+ L&⋅ ( x − dx )G&⋅ dy = L&⋅ dx

mit& *g idA = ⋅ f ⋅ dz , yi= y → xi= x → kg= kOgG ⋅ dy = k ⋅ ( y − y)⋅ dAAV Diese Annahme wird getroffen da y i unbekannt ist.f ... Querschnittsfläche der SäulefolgtNOgyody kOg⋅ A⋅f= ∫ =*y − y G&⋅Vz ... wirksame Kolonnenhöhey u , y o ... unteres bzw. oberes Kolonnenende... Zahl der Übergangseinheiten, Stoffübergangswiderstand liegt nur in der GasphaseN Ogyu⋅ z17. Wie erfolgt die Beschreibung einer praktischen Trennstufe?In einer praktischen Stufe ist eine Gleichgewichtseinstellung meist nicht zu erreichen. Ihre Wirksamkeit wirdin Bezug auf die Wirksamkeit einer theoretischen Stufe definiert als Stufenwirkungsgrad oderVerstärkungsverhältnis.oWirkungsgrad,=der praktischen Stufe ( = tatsächlichWirkungsgrad der theoretischen Stufe ( = theoretischE gerfo lgteAnreicherung)mögliche Anreicherung)

Destillation, Rektifikation18. Wie wird die Nichtidealität in der Berechnung von Flüssig/Gas-Gleichgewichten berücksichtigt?Gas → Dalton´sches Gesetz:ϕ i ... Fugazitätskoeffizientp =Ideales Gas:Reales Gas:n∑ p ii=1gpipgi= y ⋅ p= y ⋅ϕ⋅ piiiFlüssigkeit → Raoult´sches Gesetz:Ideale flüssige Gemische:Reale flüssige Gemische:γ i ... Aktivitätskoeffizientplipli= x ⋅ piii0i= x ⋅γ⋅ p0iIm Gleichgewichtszustand gilt:p =gipli19. Definieren Sie die relative Flüchtigkeit oder auch Trennfaktor Alpha(Grafik und Gleichung)α =XY ( Molbeladung Leichterflüchtiges( Molbeladung Leichterflüchtiges inimderDampf )=Flüssigkeit)y1−yx1−x=0x ⋅ p1p(1 − x)⋅ ppx1−x02=pp01021 ... leichter flüchtige Komponente2 ... schwerer flüchtige KomponenteBei realen Gemischen gilt:0102pα = p⋅γ⋅γ12Für α=1 ist keine Stofftrennung möglich.

20. Stellen Sie das Dampfdruck-, Siede-, Gleichgewichts- undAktivitätskoeffizientendiagramm eines idealen dem eines realen Gemisches mitpositiver Dampfdruckabweichung gegenüberrechte Abbildung: ideales Gemischlinke Abbildung: positive Abweichung21. Erklären Sie den Unterschied zwischen Destillation und RektifikationRektifikation wird immer kontinuierlich und im Gegenstrom betrieben. Die Rektifikation kann alsHintereinanderschaltung mehrerer Destillationsstufen betrachtet werden. (Für hundertprozentige Reinheit derStoffe ist mehr als eine einfache Destillation notwendig.) Destillation kann diskontinuierlich und kontinuierlichbetrieben werden.22. Beschreiben Sie graphisch und formelgemäß die diskontinuierliche offeneDestillation (Rayleigh-Destillation)− dL = D&⋅ dt− d(L ⋅ x ) = −dL⋅ x − L ⋅ dx = D&⋅ yIn der Destillierblase ändert sich die Gesamtflüssigkeitsmenge im Zeitintervall zu:Die Teilmengen der einzelnen Komponenten bestimmen sich zu:Zusammen ergeben diese Gleichungen:dLLdxi=y − xi , αLαdxiIntegration in den Grenzen L α bis L ω sowie x i,α bis x i,ω liefert: ln =L∫y − xiiωxix , ωiiiiii⋅ dt

23. Stellen Sie für eine Rektifikationskolonne die Massen- und Wärmebilanzeninkl. Skizze auf.F&= E&+ S&x ⋅ F&= xFE⋅ E&+ x ⋅ S&sF ... FeedE ... KopfS ... Sumpfx F , x E , x S ... Molanteil der leichter siedenden Komponente im jeweiligen Strom∆H V ... VerdampfungsenthalpieQ & S+ F&⋅ HF= Q&K+ E&⋅ HE+ S&⋅H+ SQ&Q&= E&+ R&⋅ ∆HKühlwasserbedarf:k( )vV24. Erklären Sie anhand der Rektifikation das McCabe-Thiele Diagramm unterHerleitung der notwendigen Geradengleichungen.- Verstärkungsgerade:→ Mengenbilanz für den VerstärkerteilG&= R&+ E&G&⋅ y = R&⋅ x + E&⋅ xv xE⇒ y = ⋅ x +v + 1 v +1Ev =R&E&- Abtriebsgerade:→ Mengenbilanz für den Abtriebsteil+R&= G&R&++⋅ x = G&+ S&+⋅ y + S&⋅ xSv+=R&S&+v, v + ... Rücklaufverhältnis⇒+v xSy = ⋅ x −++v −1 v −1+R & ist unbekannt und damit auch v +- Schnittpunktsgerade:→ Mengenbilanz für den FeedbodenR&+= R&+ F&⋅ fG&+− ( 1−f ) ⋅ F = G&F&+ R&+ G&+= G&+ R&+F&+⋅ x + R&⋅ x + G&⋅ y = G&⋅ y + R&Ff⇒ y = ⋅ x −f −11⋅ xf −1F+⋅ xf ... kalorischer Faktor, beschreibt den thermischen Zustand des Zulaufs

- Bestimmung der theoretischen Trennstufen:Die Anzahl der theoretischen Trennstufen kann durch Einzeichnen eines Treppenzuges zwischenArbeitsgeraden und Gleichgewichtskurve ermittelt werden. (Start des Treppenzuges liegt bei x s ) Bei derRektifikation entspricht die Anzahl der theoretischen Trennstufen nicht der in der Kolonne zurealisierenden Bodenanzahl. Es ist zu berücksichtigen, dass der Verdampfer im Sumpf der Kolonne einertheoretischen Trennstufe entspricht. Wird nur der Rücklaufstrom kondensiert und das Kopfproduktdampfförmig abgezogen, wirkt auch der Kondensator als theoretische Trennstufe. Der Feedstrom muss inder Trennstufe (Zulaufboden) zugegeben werden, die durch den Schnittpunkt S von Verstärkungs- undAbtriebsgerade gegeben ist. Eine verfrühte oder verspätete Zugabe führt zu einer Erhöhung der Anzahlder theoretischen Trennstufen und damit der Kolonnenhöhe.25. Welchen Einfluss hat der Feed bei einer Reaktionskolonne (Herleitung undBeschreibung der Schnittpunktsgerade)Herleitung siehe Frage24.

26. Wie erfolgt die Bestimmung der Mindesttrennstufenanzahl und desMindestrücklaufverhältnisses (graphisch und rechnerisch)Minimale BodenzahlWenn die Verstärkungs- und die Abtriebsgerade mit der Diagonalenzusammenfallen, erhält man die minimale Bodenzahl als Minimum derbenötigten Investitionskosten. Dazu müssen die beiden Geraden eineSteigung von eins haben, was bei einem unendlichenRücklaufverhältnis der Fall wäre. Da hierbei kein Produkt abgezogenwird, gibt es keine praktische Anwendung hierfür, sondern nur dietheoretische Auskunft über die mindestens zu erwartendenInvestitionskosten.MindestrücklaufverhältnisBei minimaler Steigung der Verstärkungsgeraden erhältman das minimale Rücklaufverhältnis. DieVerstärkungsgerade schneidet die Abtriebsgeradedabei auf der Gleichgewichtskurve. Da bei einemminimalen Rücklaufverhältnis eine unendliche Stufenzahlfür die Trennung benötigt wird, tritt auch dieser Fall inder Anwendung nicht auf. Er gibt aber Auskunftdarüber, wie hoch der Energieverbrauch, der beiminimalem Rücklaufverhältnis ebenfalls minimal ist, beider Trennung mindestens ist.Praktisch wird oft mit einem Rücklaufverhältnis v ≈ 1,3⋅v min gearbeitet.mit α =const.nminv=min⎛ x 1 ⎞E− xSlog⎜ ⋅1⎟⎝ − xExS⎠−logα1 ⎛ x=⎜α −1⎝xEF1−x−α⋅1−xEF1⎞⎟⎠(für f=1)

tanα minv=vminmin=+ 1*yE− y ( xx − xEFF)=*xE− y ( xF)x − xEF0x1⋅ p1y100x1⋅ p1+ x2⋅ p2* α12⋅ xFy ( xF) =1+( α −1)⋅ xmit= gilt:12F→ nach v min auflösen und y*(x F ) einsetzen27. Welche Möglichkeit der Trennung azeotroper Gemische gibt es?Azeotrope zeichnen sich durch einen Schnittpunkt (y=x) im McCabe-Thiele Diagramm aus. In diesem Punkt hat der Dampfdieselbe Zusammensetzung wie die Flüssigkeit, dadurch ist keine Trennung möglich.- Zweidruckverfahren:Die Lage des azeotropen Punktes ist druckabhängig. Im Allgemeinen wird er bei Druckerniedrigung imGleichgewichtsdiagramm nach rechts, d.h. zu höheren Anteilen der niedrig siedenden Komponente imAzeotropengemisch, verschoben.

- Extraktivrektifikation:Hilfsstoff verfügt über folgende Eigenschaften: schwerflüchtig wesentlich höherer Siedepunkt als der aller anderen Gemischkomponenten keine Azeotropbildung mit einer der Gemischkomponenten selektive Bindung einer GemischkomponenteDurch die selektive Bindung einer Gemischkomponente durch den Hilfsstoff wird die relative Flüchtigkeitdes Gemisches derart geändert, dass der azeotrope Punkt verschwindet.- Azeotroprektifikation:Engsiedenden Gemischen wird ein Azeotropbildner / Azeotropen Gemischen wird ein Azeotropwandlerzugesetzt und damit ein ternäres leichtsiedendes Heteroazeotrop gebildet. Ein Heteroazeotrop hat in derflüssigen Phase eine Mischungslücke, d. h. das Gemisch zerfällt in verschiedene Phasen.Bsp.:

28. Ermitteln Sie die theoretische Trennstufenzahl für das angegebene Beispielim McCabe-Thiele Diagramm:Binäres Stoffgemisch: Benzol/Toluol (MG B = 78 g/mol, MG T = 92 g/mol),Feedzusammensetzung: 50w% Benzol, siedende FlüssigkeitProduktspezifikation: jeweils 5w% VerunreinigungxxxiSE=∑iwiMiwiMi0,05g78=mol0,05 0,95+g g78 92mol mol0,95g78=mol0,95 0,05+g g78 92mol mol= 0,057= 0,957f=1 ⇒ Schnittpunkt K und Schnittpunkt (0,E⇒ v −1min= yxminmit v = 1,3 ⋅ v min folgtxEy(0)= v + 1x E)v min+1⇒ Verstärkungsgerade kann eingezeichnet werden und schneidet die Gerade f = 1 ⇒ Abtriebsgerade und derTreppenzug können eingezeichnet werden

Kolonnen29. Welche Anforderungen werden an Kolonneneinbauten gestellt?- Trennwirksamkeit (Stufenwirkungsgrad:nthEg= )nreal- Druckverlust- Belastbarkeit, Belastungsbereich- Flexibilität bei Belastungsänderungen- Empfindlichkeit gegen Verschmutzen und Verkrusten- Fertigungsmöglichkeit in verschiedenen chemisch beständigen Werkstoffen- Kolonnenkosten (bezogen auf Trennwirkung und Durchsatz)30. Welche Grundtypen an Kolonneneinbauten gibt es?- Bodeneinbauten Glockenboden Tunnelboden Siebboden Ventilboden ...- Füllkörper Ringe (Raschig, Pall ...) Sattel Interpack ...- geordnete Packungen Gewebepackungen Plattenpackung ...31. Erklären Sie die Berechnung des Druckverlustes bei Siebböden.Ein geringer Druckverlust bei Bodenkolonnen erhöht die Wirtschaftlichkeit des Bodens durch Minimierung derBetriebskosten. Andererseits zeigt ein hoher Bodendruckverlust meistens das Vorhandensein hoher Turbulenz in derBerührungszone von Gas und Flüssigkeit und damit einen guten Wärme- und Stofftransport an. Die Festlegung desBodentyps sowie der Gasbelastung/Flüssigkeitsbelastung resultiert daher normalerweise aus einem Kompromiss zwischennicht zu großem Druckverlust und damit geringeren Betriebskosten und hoher Turbulenzen und damit gutem Stofftransport.∆ pBoden= ∆ptr+ ∆pl+ ∆p σ∆p tr∆p l∆p σc w... trockener Druckverlust, den das Gas beim Durchströmen des nicht mit Flüssigkeit beaufschlagtenBodenserleidet... hydrostatischer Druckverlust... Druckverlust durch Überwindung der Oberflächenspannung, in der Regel vernachlässigbar∆ptr= cwρg⋅2⋅ w... durch die Bodengeometrie bestimmter Wiederstandsbeiwert2eff

w eff... Dampfgeschwindigkeit in den Gasdurchtrittsöffnungen des Bodensh lh l+gε l∆p= ρ ⋅ g ⋅ h... Höhe der klaren Flüssigkeit... Höhe der durchströmten Zweiphasenschicht... relativer Flüssigkeitsanteil in der Zweiphasenschichtlllσ ld... Oberflächenspannung der Flüssigkeit... Sieblochdurchmesser∆pσσ l4⋅=d32. Erklären Sie das Druckverlustverhalten und den Verlauf des spezifischenFlüssigkeitsinhaltes in der Füllkörperschüttung (Diagramme).Wenn eine von einem Gas durchströmte trockene Packung berieselt wird, bilden sich auf den Füllkörpern Filme und Rinnsaleaus, die zu einer Verminderung des relativen Lückenvolumens führen. Hinzu kommt, dass speziell bei kleinen Füllkörpern dasInnere der Hohlzylinder gefüllt werden kann. → Erhöhung des Druckverlustes∆p sw g⎛ V ⎞llg⎜&⎟⎝Vs⋅ε ⎠w g∆p sV &lV ⋅εw gs... spezifischer Druckverlust∆p=H... spezifischer Flüssigkeitsinhalt... Leerrohrgeschwindigkeit

33. Erklären Sie die Berechnung des Druckverlustes bei Füllkörperkolonnen.Kennt man den trockenen Druckverlust und die dimensionslose Berieselungsdichte kann man den Druckverlusteiner Füllkörperkolonne aus dem Flutpunkt-Diagramm auslesen.In Analogie zum Rohrreibungsgesetz nach D´Arcy und Weisbach ist der trockene Druckverlust abhängig von- der effektiven Gasgeschwindigkeit- dem hydraulischen Durchmesser- der schüttungsspezifischen Widerstandszahl.Die schüttungsspezifische Widerstandszahl ξ ist eine Funktion der Reynoldszahl und kann aus dem ξ-Re-Diagramm ausgelesen werden.

Absorption/Desorption34. Erklären Sie den Zusammenhang der Gesetze von Raoult und Henry (auchgrafisch).Henrysches Gesetz:H ipi= x ⋅ H... Henry Konstante, hängt von Druck, Temperatur und Stoffgemisch abiiDas Raoultsche Gesetz gilt streng genommen nur im Bereich reiner Komponenten. Es ist anschaulich dieAsymptote an die reale Partialdruckkurve p i (x i ) für x i →1. Das Henrysche Gesetz gilt dagegen für unendlichverdünnte Flüssigkeiten. Es ist wie das Raoultsche Gesetz ein Grenzgesetz, das die Grenztangente der realenPartialdruckkurve für x i → 0 beschreibt.35. Was versteht man unter Absorption (Definition und Prinzip)?Unter Absorption wird die Aufnahme und Auflösung von Gasen und Dämpfen in Flüssigkeiten verstanden.Aus einem homogenen Gasgemisch sollen ein oder mehr Stoffe entfernt werden, diese werden Absorptivgenannt. Um das Absorptiv aus dem Gas entfernen zu können, ist ein flüssiger Hilfsstoff, das Absorbens,Wasch-, Lösungs-, Absorptionsmittel, nötig. Das Absorbtiv kann entweder physikalisch (Physisorption) oderchemisch (Chemisorption) gebunden werden. Das im Absorbens gebundene Absorptiv wird als Absorptbezeichnet, die flüssige Phase (Absorbens+Absorpt) als Absorbat. Absorption wird eingesetzt zur Gasreinigung,Trennung von Gasgemischen, Sättigung einer Flüssigkeit mit einem Gas oder chemischen Reaktion zwischen Gasund Flüssigkeit zur Erzeugung eines neuen Produkts.36. Erklären Sie anhand eines Beladungsdiagramms den Unterschied zwischenLösungsrückführung bzw. Frischzufuhr bei einer zweistufigen GleichstromAbdsorption.

37. Bilanzieren Sie einen Gleichstrom und Gegenstrom Absorber (mitBeladungsdiagramm).allg.:L&T⋅ Xα+ G&T⋅Yα= L&T⋅ Xω+ G&T⋅YωGleichstrom:YL&= −G&L&⋅ X +G&T⋅ X αY αT T+TDer Gasstrom G & Tund die Absorbenseintrittskonzentration Xαsind gegeben, somit kann lediglich derAbsorbensstrom L & Tund damit die Absorptaustrittskonzentration Xωvariiert werden.Um die geforderte Austrittskonzentration Yωzu erreichen, muss die Bilanzgerade mindestens so steil*verlaufen, dass sie die Gleichgewichtslinie im Punkt X , Y )wird hier mit dem minimal möglichen AbsorbensstromP2 (w , max ωschneidet. Die Konzentrationsdifferenz ∆ YL & erreicht, am Austritt aus dem Absorber stellt sichGleichgewichtzwischen Gas und Flüssigkeit ein. Da sich das Gleichgewicht erst nach unendlich langer Zeit einstellt, muss dieAbsoprtionskolonne für diesen Fall unendlich hoch werden.Wird dagegen theoretisch mit unendlich viel Absorbens gearbeitet (Bilanzlinie mit maximalerXα= Xω, minimal kleiner Apparat), wird am Austritt aus dem Absorber der PunktX α, Y ) erreicht.Steigung,P ∞2(ω, minT , minZwischen diesen beiden Grenzwerten bewegt sich der tatsächlich zu wählende Absorbensmolenstrom. AusWirtschaftlichkeitsgründen wird in obiger Abbildung Punkt P 2gewählt.Wird die Bilanzlinie über P 2hinaus bis zum Schnittpunkt mit der Gleichgewichtslinie verlängert, stellt der Punkt* Y * die maximal mögliche Beladung des Absorbensstroms für die gegebenen Betriebsbedingungen dar.K(X,)Gegenstrom:YL&=G&L&⋅ X −G&T⋅ X αY ωT T+T

Eine einzelne Trennstufe reicht normalerweise nicht aus, um die gestellte Trennaufgabe zu erfüllen. Effektiverist die Kaskadenschaltung beliebig vieler Stufen im Gegenstromprinzip. Um die Bilanzgerade in dasBeladungsdiagrammeinzeichnen zu können, benötigt man neben dem bekannten Punkt P ( X 1, Y α ω) die Steigung, auchLösungsverhältnis vgenannt. Um das Lösungsmittelverhältnis festzulegen, muss der Absorbensstrom L & Toder die KonzentrationX ermittelt werden, die sich gegenseitig beeinflussen. Eine direkte, einfache Konstruktion der Bilanzlinie istωsomit nicht möglich. Daher bestimmt man den minimalen AbsorbensstromMindestlösungsverhältnis.T , minL & und damit dasIn der Praxis gilt:v = ( 1,3...1,6) ⋅vmin

38. Wie ist bei der Absorption das Mindestlösungsverhältnis definiert (grafischund formelgemäß)?Siehe Frage 37.39. Erklären Sie den Stoffübergang bei der physikalischen Absorption.Siehe Frage 10: ZweifilmtheorieStatt der Konzentration kann gasseitig der Partialdruck verwendet werden, den mit der idealen Gasgleichunggilt:c =nVp=R ⋅T⇒N&= A⋅k ( cl*− c)= A⋅kg*( p − p )⋅R ⋅T40. Erklären Sie den Zusammenhang des Stoffübergangs undReaktionsgeschwindigkeit bei der chemischen Absorption.D a = 0 : keine chemische ReaktionRe⋅Sc → ∞ oder D a → ∞ : maximal möglicherStoffaustausch41. Erklären Sie den Unterschied zwischen Absorption und Desorption. WelcheVerfahrensparameter werden variiert?Die Desorption, auch Strippung genannt, ist der Umkehrvorgang zur Absorption. Mit Hilfe eines Strippgaseswird ein molekular gebundener Stoff aus einer Flüssigkeit herausgelöst.Während die Absorption durch niedrige Temperatur und hohen Druck begünstigt wird, ist bei der Desorptionniedriger Druck und erhöhte Temperatur förderlich.42. Zählen Sie die wichtigsten Bauformen von Absorbern auf.- Kontinuierliche Gasphase, Flüssigkeit im Tropfen- oder Filmregime SprühapparateFlüssigkeitstropfen im Gas, für gut lösliche Gase geeignet Dünnschicht- und RieselabsorberWaschflüssigkeit fließt als Film herab (an Wänden, Rohren, Füllkörpern…), Gas wird im Gegenstrom

zugeführt- Kontinuierliche Flüssigphase, Blasenregime Blasensäuleohne Einbauten oder bewegten Teilen Blasensäulenreaktormit Siebböden StrahldüseninjektorFlüssigkeitspumpe erzeugt unter hohem Energieverbrauch sehr kleine Gasbläschen und damit eine sehrgroße Phasengrenzfläche RührbehälterMechanische Energiezufuhr durch Rührer → Zerteilung des Gases, Durchmischung der Flüssigkeit43. Welche Möglichkeiten zur Regenerierung (Desorption) der Waschlösungengibt es?- Entspannen der Absorptionslösung bei Absorptionstemperatur, vorteilhaft wenn bei höherem Betriebsdruckabsorbiert wurde- Temperaturerhöhung (Rektifikation, kann auch mit Entspannungsstufen gekoppelt werden)- DampfstrippungStripgas ist WasserdampfDer mit Absorptiv beladene Wasserdampf wird nach Austritt kondensiert. Die Entfernung des Absorptivsist einfach, wenn es nicht in Wasser löslich ist.- Gasstrippungmit Inertgas oder Luftauskondensieren und trennen des Absorptivs aus dem Inertgas RechenbeispieleGegenstrom-Absorption:Für ideales Gas gilt: v i = x i⇒yyxCO , S2CO , K2CO , K2= 0,02= 0,009= 0,001YYXCO , S2CO , K2CO , K2y=1 − yCO , Sy=1 − y22= 0,001CO , S2CO , KCO , K2= 0,25= 0,0091Bestimmung der Gleichgewichtskurve:Unter der Voraussetzung, dass sich das System ideal verhält, kann die Gleichgewichtskurve im X, Y-Diagrammnach dem Gesetz von Henry bestimmt werden.

ppyiiiY= x ⋅ Hi= y ⋅ pi**CO H2i CO2= ⋅**1+YCOpges1+XCO2gesigesxi⋅ Hi=pX2Damit kann die Gleichgewichtskurve Punktweise konstruiert werden.Bestimmung der Arbeitsgerade:Neben Punkt (XCO2, K, YCO2, KCO2 Menge im Rohgas:⇒G &G &COT) wird die Steigung der Geraden2= yCO2= GRohgas⋅G&− G&RohgasCO 2vL&G&T= benötigt (siehe Frage 37).TL &= G &Y⋅XCO2, BT ,min TCO2, S maxT= 1,35⋅ L&T ,minL &G&= &− YCO , S− X2CO , K⋅ ( Y − Y ) + XTXCO2, SCO2, B CO2, S CO2, KLT2

Extraktion44. Erklären Sie das Phasengleichgewicht Flüssigphase – Flüssigphase grafischund formelgemäß.K+cc=cA,ExtraktA.Raffinat45. Erklären Sie die Konstruktion der GGK aus dem Gibb´schen Dreieck.Im Skript sieht das anders aus also Vorsicht!

46. Nennen Sie die wichtigsten Lösungsmittelanforderungen bei der fl/flExtraktion.- große Aufnahmekapazität für die Übergangskomponentegünstiges Verteilungsgleichgewicht, bei reaktiv wirkenden Lösungsmitteln günstiges Reaktionsgleichgewicht- hohe Selektivität- möglichst geringe Mischbarkeit von Träger und Lösungsmittel- leichte Abtrennbarkeit des Lösungsmittels aus der Extraktphasegroßer Siedepunktunterschied, keine Azeotropbildung- großer Dichteunterschied zwischen schwerer und leichter Phasevereinfacht die Phasentrennung und verhindert Emulsionen- angepasste Grenzflächenspannungniedrige Grenzflächenspannung begünstigt kleine Tropfen und Emulgierungstendenzengroße Grenzflächenspannung führt zu großen Tropfen mit entsprechend verschlechtertem Stofftransport- geringe Viskositäthohe Viskosität verschlechtert die Fluiddynamik und Stofftransportsituation- niedriger Dampfdruck bei ArbeitstemperaturVermeidung von Verlust durch Lösungsmittelverdunstung- thermische und chemische Stabilität- keine Korrosivität, keine sicherheitsbedenklichen oder umweltbelastenden Eigenschaften- gute Verfügbarkeit, geringer Preis47. Bilanzieren Sie eine einfache einstufige fl-fl Extraktion (Skizze).F & + L&= R&+ E&F&T⋅ Xα+ L&T⋅Yα= F&T⋅ Xω+ L&T⋅YωFeedstrom F und Extraktionsmittel L werden im Mischer intensiv gemischt wodurch die Mischung M entsteht.Der Mischungspunkt M muss auf der Verbindungslinie zwischen F und S liegen und kann mittels desHebelgesetzes bestimmt werden. Der Mischungspunkt ist nicht stabil und zerfällt in Raffinatphase R undExtraktphase E.

Wird die minimal mögliche Menge an Extraktionsmittel zugeführt, fällt der Mischungspunkt M mit G1 zusammen.Es entsteht ein Raffinat mit der durch den Zustandspunkt G1 charakteristischen Zusammensetzung. DerEndpunkt der durch G1 führenden Konode legt den Zustandspunkt des Extrakts E1 fest. Es wird ersichtlich,dass die Trennung ungenügend ist, es geht kaum Übergangskomponente vom Feed ins Extrakt über.Der Mischungspunkt M bewegt sich entlang der Mischungsgeraden Richtung G2, wenn der zugeführteMassenstrom an Extraktionsmittel erhöht wird. Die durch G2 gehende Konode zeigt ein verbessertesTrennergebnis, allerdings steigen die Kosten.48. Erklären Sie die mehrstufige Kreuzstromextraktion.Das Einsatzgemisch F fließt der ersten Stufe zu und wird mit Lösungsmittel L behandelt. Es entstehen dasRaffinat R 1 und das Extrakt E 1 . Das Raffinat wird von Stufe zu Stufe weitergeleitet und jeweils mit derselbenMenge frischem Lösungsmittel in Kontakt gebracht.

49. Bilanzieren Sie eine kontinuierliche Gegenstromextraktion (Skizze).Y=F&L&F&⋅ X −L&T⋅ X αY ωT T+T

50. Erklären Sie das Verfahren der Trennstufenbestimmung nach Hunter undNash (Skizze).Die durch den Zustandspunkt des Feeds gehende Konode liefert den Zustandspunkt E max .Die Geraden FL undE maxR schneiden sich im Mischpunkt M min , mit diesem lässt sich aus dem Hebelgesetz dasminimale Extraktionsmittelverhältnis berrechnen.Ein BetriebslösungsmittelverhältnisE.vmin=minFMMminminLv = Faktor ⋅vmuss festgelegt werden und daraus erhält man Punkt M undVerlängert man die Geraden FE und RL bis sie sich schneiden, dann erhält man den Pol P.Stufenkonstruktion:Unter der Vorraussetzung einer theoretischen Trennstufe muss E im Gleichgewicht mit R 1 stehen. Da imDreiecksdiagramm die Konode dem Gleichgewicht entspricht, wird die durch E gehende Konode gesucht. DerSchnittpunkt dieser Konode mit der Binodalkurve liefert den Zustandspunkt R 1 . R 1 und E 2 liegen im gleichenQuerschnitt der Kolonne und sind über die Bilanz miteinander verbunden. R 1 wird mit dem Pol P verbunden. DerZustandspunkt E 2 befindet sich auf dem Schnittpunkt der GeradeR 1P mit der Binodalkurve. ...Wenn gilt R n = R dann sind n theoretische Stufen zur Lösung der Trennaufgabe nötig.

51. Erklären Sie die Ermittlung des Mindestlösungsmittelverhältnisses bei derfl/fl Extraktion (Skizze).Lösungsmittelverhältnisv =F&L&TTAus der Bilanzierung folgt:vminX=Yαω,max− X−Yωα52. Zählen Sie die wichtigsten Extraktionsapparate (fl/fl) mit den wichtigstenCharakteristiken auf.- Mischer-Abscheider- Seperatoren- Kolonnen-Extraktorenohne Energiezufuhr: Sprüh-, Siebboden-, Füllkörper-, Packungskolonnemit Energiezufuhr: Rührer, Pulsation

Membrantechnik53. Erklären Sie das Grundprinzip der Membrantrennverfahren und zählen Siedie wichtigsten Membrantrennprozesse auf.Eine Membran kann im weitesten Sinne als Zwischenphase aufgefasst werden, die zwei homogene Phasenvoneinander trennt und dem Transport verschiedener chemischer Komponenten aus diesen Phasenunterschiedlichen Widerstand entgegensetzt.Mit dem Membrantrennverfahren können flüssige als auch gasförmige Gemische getrennt werden.Als Membranen kommen Porenmembranen oder porenfreie Lösungs-Diffusionsmembranen zum Einsatz, so dassals Trennprinzip je nach eingesetzter Membran Siebeffekte (mechanisches Trennverfahren) oder Sorpitions-Diffusions-Effekte (physikalisch-chemisches Trennverfahren) zum Tragen kommen.Die Triebkräfte, die für den Transport einer Komponente sorgen, können Druckdifferenzen, Partialdruckgefälle,Konzentrationsgefälle oder ein elektrisches Potentialgefälle sein.- Mikrofiltration- Ultrafiltration- Nanofiltration- Umkehrosmose- Dialyse- Elektrodialyse- Pervaporation- Gaspermeation54. Welche Membranmaterialien gibt es? Nennen Sie Prozessbeispiele für dieeinzelnen Materialien.- natürliche (z.B. Cellulose) und synthetische (z.B. Polyamid) Polymeresymmetrische Membranen:Membrandicke 10 - 100 µmasymmetrische Membranen:sehr dünne aktive Trennschicht < 10 µm auf hochporöser Tragschicht, die das System stützt, stabilisiertund den Stofftransport nicht beeinflusstDie dünne Trennschicht senkt den Stofftransportwiderstand und steigert den Permeatstrom im Vergleichzu symmetrischen Membranen um den Faktor 5 – 100.integralasymmetrisch:Trennschicht und Tragschicht bestehen aus demselben Material, wirddurch Phaseninversion hergestelltzusammengesetzt asymmetrisch: bei Compositmembranen sind die einzelnen aus verschiedenenWerkstoffen bestehenden Schichten auf die jeweiligen Funktionenoptimiert und miteinander verbunden

- anorganische MembranKeramik, Glas, Metallwerden häufig durch Sintern hergestelltvorteilhaft bei Reinigung heißer, aggressiver Gase oder organischer Lösungsmittel …55. Erläutern Sie den Stofftransport bei Membrantrennverfahren (dichteMembran und poröse Membran) grafisch und formelgemäß.Lösungs-Diffusions-Modell:j ic i,MD i,Mgrad µ ij ⋅ gradµi= ci,M⋅ Di.M... spezifischer Fluss der Komponente i... Konzentration der Komponente i in der Membran... Diffusionskoeffizient der Komponente i in der Membran... Gradient vom chemischen Potential der Komponente i in der MembranDie ideale Lösungs-Diffusionsmembran besteht aus einer homogenen Polymerschicht, in der sich dieunterschiedlichen molekularen Komponenten wie in einer Flüssigkeit lösen und durch Diffusion fortbewegen.iDer Stofftransport durch Lösungs-Diffusions-Membranen wird in folgende drei Schritte unterteilt:- Absorption auf der Feedseite der Membran- Diffusion der sorbierten Stoffe durch die Membran- Desorption auf der Permeatseite der MembranIn obiger Gleichung wurde angenommen, dass Absorption und Desorption an der Membranoberfläche gegenüberder Diffusion in der Membranmatrix schnell verlaufen.Porenflussmodell:Bei der Behandlung des Flusses durch poröse Membranstrukturen sollte realistischerweise eher von derStrömung durch Schüttungen gesprochen werden. Bei den Porenmodellen nimmt man vereinfachend an, dass dieFlüssigkeit nicht gleichmäßig um die Schüttungsteilchen herum verteilt ist, sondern in einer großen Zahl vongegeneinander abgeschlossenen Poren fließt. In diesem Fall kann man die Berechnung des Druckverlustes derSchüttung der für Rohre entlehnen. Eine laminare Strömung wird angenommen und die Hagen-PoiseuilleGleichung verwendet.

56. Beschreiben Sie die Einsatzgebiete der Mikrofiltration, Ultrafiltration,Nanofiltration und Umkehrosmose.Mit der Mikro- und Ultrafiltration können Partikel aus Flüssigkeiten abgeschieden werden. Es handelt sichhierbei um ein mechanisches Trennverfahren, das nach Partikelgröße trennt.Mikrofiltration:Porendurchmesser: 0,05 - 10 µmAnwendung: Sterilisation von Getränken und Pharmazeutika, Abwasserbehandlung, Zellrückhaltung beiBioreaktorenUltrafiltrationPorendurchmesser: 1 – 100 nmAnwendung: Reinigung, Trennung und Aufkonzentrierung von Lösungen, Trennung von Öl/Wasser-EmulsionenNanofiltrationNanofiltration ist ein Membranverfahren im Übergangsgebiet zwischen Ultrafiltration und Umkehrosmose.Porendurchmesser: 0,5 – 5 nmBezüglich anorganischer Salze verhalten sie sich wie nichtporöse Umkehrosmosemembranen mit geringemSalzrückhalt.Bezüglich großer, organischer Moleküle verhalten sie sich dagegen wie poröse Membranen mit kleinenPorendurchmessern.Anwendung: Aufkonzentrieren und Entsalzen wässriger LösungenUmkehrosmoseIst die hydrostatische Druckdifferenz größer als die osmotische Druckdifferenz der Lösung, dann fließt fliestreines Lösungsmittel durch die Umkehrosmosemembran.Umkehrosmosemembranen besitzen meist eine asymmetrische Struktur, bestehend aus einer Trägerschicht undeiner selektiven Trennschicht < 1 µm.Anwendung: Entsalzung von Meer- und Brackwasser,Grundwasserreinigung

57. Beschreiben Sie die Einsatzgebiete der Pervaporation, Dampfpermeationund Gaspermeation. Welcher Unterschied besteht zwischen den Verfahren?PervaporationBei der Pervaporation erfolgt ein Phasenwechsel des durch die Membran hindurchtretenden Stoffes von derflüssigen Phase vor der Membran in die gasförmige Phase nach der Membran.Die abzutrennende Komponente muss einen hinreichenden Dampfdruck besitzen, damit sie durch die Membranhindurch verdampfen kann. Oft wird der Feedstrom beheizt oder auf Permeatseite Unterdruck anlegt.Anwendung: Entwässerung engsiedender und azeotroper GemsicheGaspermeationDie Gaspermeation ist das einzige Verfahren, das zur Trennung gasförmiger Gemische eingesetzt werden kann.Das Trennprinzip beruht auf den unterschiedlichen Transportgeschwindigkeiten (Permeationsraten) gasförmigerKomponenten. Die Partialdruckdifferenz wird entweder durch retentatseitigen Überdruck oder permeatseitigenUnterdruck erzielt.Anwendung: z.B. Abtrennung von Kohlendioxid aus Biogas58. Welche Modulbauformen gibt es für Membrantrennverfahren.- Plattenmodul- Wickelmodul- Rohrmodul- Hohlfasermodul- Kapillarmodul- Faltenmodul