Werner HemmingWalter WagnerVerfahrenstechnik

Dipl.-Ing.Werner Hemming

Dipl.-Ing.Walter Wagner

Kamprath-Reihe

Verfahrenstechnik

11., korrigierte Auflage

Vogel Buchverlag

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.vogel-buchverlag.de

ISBN 978-3-8343-3243-111. Auflage 2011Alle 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 dem Vogel Buchverlag:

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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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:wagner@wts-online.de.

Insel Reichenau Werner HemmingSt. Leon-Rot Walter Wagner

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Inhaltsverzeichnis

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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.3.3 Filterapparate . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.3.4 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

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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 derWirbelschichtgrößen . . . . . . . . . 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

Kamprath_Verfahrenstechnik_Preli8 8Kamprath_Verfahrenstechnik_Preli8 8 29.03.2011 12:35:3729.03.2011 12:35:37

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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. geringste Oberfläche 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.