Transportvorgänge in der Verfahrenstechnik: Grundlagen und apparative Umsetzungen ; mit ... 31 Tabellen
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| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
Springer
2004
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| Schriftenreihe: | VDI-Buch
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|---|---|
| adam_text | Inhalt
Teil I Einphasige Systeme
1 Grundlagen der Transportprozesse 1
1.1 Molekulare Transportvorgänge 1
1.1.1 Molekularer Impulstransport 3
1.1.2 Molekularer Energietransport 5
1.1.3 Molekularer Stofftransport 6
1.2 Konvektive Transportvorgänge 10
1.2.1 Konvektiver Impulstransport 10
1.2.2 Konvektiver Energietransport 11
1.2.3 Konvektiver Stofftransport 12
1.2.4 Konvektiver Energie- und Stoffübergang 12
1.3 Turbulente Transportvorgänge 16
1.4 Umwandlungsvorgänge 18
1.4.1 Stoffumwandlung 18
1.4.2 Energieumwandlung 19
1.4.3 Impulsänderung 20
1.5 Bilanzgleichungen 20
1.5.1 Differentielle Bilanzgleichungen 21
1.5.2 Integrale Bilanzgleichungen 31
1.6 Molekulare Transportkoeffizienten 33
1.6.1 Viskosität 33
1.6.2 Wärmeleitfähigkeit 40
1.6.3 Diffusionskoeffizienten 41
1.7 Aufgaben 43
1.8 Literatur 47
2 Diffusion in ruhenden Medien 49
2.1 Stationäre Diffusion 49
2.1.1 Diffusion ohne chemische Reaktion in einer ebenen Schicht 49
2.1.2 Diffusion mit homogener chemischer Reaktion 51
2.1.3 Diffusion mit heterogener chemischer Reaktion 57
2.2 Instationäre Diffusion 59
2.2.1 Instationäre Diffusion ohne chemische Reaktion in einer Platte 60
VIII Inhalt
2.2.2 Instationäre Diffusion in einer Kugel 64
2.3 Aufgaben 67
2.4 Literatur 71
3 Beschreibung von Ausgleichsvorgängen in technischen Systemen 73
3.1 Idealisierte Modellapparate 73
3.1.1 Idealer Rührkessel 74
3.1.2 Ideales Strömungsrohr 76
3.2 Reale Apparate 76
3.2.1 Mischvorgänge 76
3.2.2 Kontinuierlich betriebene reale Apparate 80
3.3 Verweilzeitverteilungen 83
3.4 Aufgaben 91
3.5 Literatur 94
4 Strömungen in Rohren 95
4.1 Impulstransport 95
4.1.1 Laminare Rohrströmung 95
4.1.2 Turbulente Strömung 97
4.1.3 Strömungswiderstand in Rohren 104
4.1.4 Strömungen durch Rohrleitungssysteme 108
4.2 Stoffübergang 109
4.2.1 Laminare Strömung 109
4.2.2 Turbulente Rohrströmung 117
4.3 Stoffübergang mit heterogener chemischer Reaktion 117
4.4 Strömungen nicht-Newton scher Flüssigkeiten 120
4.4.1 Geschwindigkeitsprofile 120
4.4.2 Widerstandsgesetz 122
4.5 Dispersion in Rohrströmungen 124
4.6 Aufgaben 126
4.7 Literatur 129
5 Strömungen an ebenen Platten 131
5.1 Impulstransport 132
5.1.1 Laminare Grenzschicht 132
5.1.2 Turbulente Grenzschicht 138
5.1.3 Widerstandsgesetz 138
5.2 Stoffübergang 140
5.2.1 Laminare Strömung 140
5.2.2 Turbulente Strömung 146
5.3 Fluiddynamik und Stofftransport bei hohem Partialdruck 147
5.3.1 Physikalische Problematik 147
5.3.2 Geschwindigkeitsprofil 149
5.3.3 Konzentrationsprofil 150
5.3.4 Reibungsbeiwert 152
5.3.5 Mittlere Sherwoodzahl 153
Inhalt IX
5.4 Stoffübergang mit heterogener chemischer Reaktion 155
5.5 Aufgaben 159
5.6 Literatur 161
6 Trocknung fester Stoffe 163
6.1 Grundbegriffe der thermischen Trocknung 163
6.2 Eigenschaften feuchter Güter 165
6.2.1 Arten der Feuchtigkeitsbindung 165
6.2.2 Bewegung der Feuchtigkeit im Gut 167
6.3 Eigenschaften des feuchten Gases 169
6.4 Darstellung der einstufigen Trocknung im Mollier-Diagramm 172
6.4.1 Beharrungstemperatur 172
6.4.2 Kühlgrenztemperatur 174
6.4.3 Einstufiger Trockner 175
6.5 Wärmeübertragung an das feuchte Gut 178
6.5.1 Konvektionstrocknung 178
6.5.2 Kontakttrocknung (konduktive Trocknung) 179
6.6 Kinetik der Trocknung, Trocknungsverlauf. 179
6.6.1 I. Trocknungsabschnitt 182
6.6.2 II. Trocknungsabschnitt 185
6.7 Bauarten von Trocknern 189
6.7.1 Konvektionstrockner 189
6.7.2 Kontakttrockner 193
6.7.3 Strahlungstrockner 195
6.8 Aufgaben 196
6.9 Literatur 200
7 Einphasig durchströmte Feststoffschiittungen 201
7.1 Kennzeichnende Größen einer Feststoffschüttung 201
7.1.1 Feststoffpartikeln 202
7.1.2 Lückengrad 204
7.1.3 Hydraulischer Durchmesser 206
7.1.4 Geschwindigkeitsverteilung innerhalb einer Feststoffschüttung 208
7.2 Druckverlust 209
7.3 Wärmeübergang 213
7.4 Stoffübergang 215
7.5 Modellierung von Austauschvorgängen in Festbetten 217
7.6 Aufgaben 223
7.7 Literatur 226
8 Filtration und druckgetriebene Membranverfahren 229
8.1 Einteilung der Trennverfahren 229
8.2 Prozessführung 230
8.2.1 Kuchenfiltration 231
8.2.2 Querstromfiltration 232
X Inhalt
8.2.3 Tiefenfiltration 233
8.3 Kennzeichnung des Trennerfolgs 235
8.4 Filtration 238
8.4.1 Grundlegende Theorie der Filtration 238
8.4.2 Kuchenfiltration wässriger Suspensionen 240
8.4.3 Staubabscheidung durch Filtration 251
8.5 Druckgetriebene Membranverfahren 253
8.5.1 Definitionen 254
8.5.2 Grundlegende Theorie zu Membran verfahren 256
8.5.3 Mikro- und Ultrafiltration 261
8.5.4 Nanofiltration 261
8.5.5 Umkehrosmose 262
8.5.6 Apparative Umsetzung der Membranfiltration 264
8.6 Aufgaben 267
8.7 Literatur 270
Teil II Mehrphasige Systeme
9 Stoffaustausch zwischen zwei fluiden Phasen 273
9.1 Stoffübergangstheorien 273
9.1.1 Filmtheorie 274
9.1.2 Grenzschichttheorie 277
9.1.3 Penetrations- und Oberflächenerneuerungstheorie 279
9.1.4 Turbulenztheorie 281
9.2 Stoffdurchgang 283
9.3 Stoffaustausch mit homogener chemischer Reaktion 288
9.3.1 Penetrationstheorie 288
9.3.2 Filmtheorie 293
9.3.3 Generelle Auswirkungen einer homogenen Reaktion erster Ordnung
auf den Stofftransport 295
9.4 Aufgaben 296
9.5 Literatur 298
10 Strömung von Flüssigkeitsfilmen 301
10.1 Fluiddynamik von Rieselfilmen 302
10.2 Wärmeübertragung zwischen Wand und Flüssigkeit 306
10.3 Stoffübertragung zwischen Rieselfilm und Gas 308
10.3.1 Laminare Rieselfilme 309
10.3.2 Filme mit welliger Oberfläche 315
10.3.3 Gasseitiger Stoffübergang 317
10.4 Stofftransport mit homogener chemischer Reaktion 318
10.4.1 Reaktion 1. Ordnung 320
10.4.2 Reaktion 2. Ordnung 323
10.5 Technische Anwendungen von Rieselfilmapparaten 326
Inhalt XI
10.6 Aufgaben 328
10.7 Literatur 330
11 Partikelbewegung 333
11.1 Stationäre Partikelbewegung 333
11.1.1 Feste Einzelpartikel 333
11.1.2 Fluide Partikeln 342
11.2 Instationäre Partikelbewegung 350
11.3 Bewegung von Partikelschwärmen 352
11.3.1 Feste Partikeln 353
11.3.2 Fluide Partikeln 357
11.4 Aufgaben 359
11.5 Literatur 360
12 Stofftransport bei Partikeln 363
12.1 Stationärer Stoffübergang 363
12.1.1 Feste Einzelkörper 364
12.1.2 Fluide Partikeln 371
12.2 Instationärer Stofftransport bei festen und fluiden Partikeln 377
12.2.1 Mathematische Grundlagen und Definitionen 378
12.2.2 Diffusiver Transport in einer Kugel 381
12.2.3 Stoffübergang bei schleichender Umströmung 382
12.2.4 Spezielle Lösung für sehr kurze Zeiten 382
12.2.5 Berechnung der übergehenden Masse für sehr lange Zeiten 383
12.2.6 Ergebnisse der numerischen Lösung 383
12.3 Aufgaben 386
12.4 Literatur 389
13 Wirbelschichten 391
13.1 Erscheinungsformen von Wirbelschichten 391
13.2 Fluiddynamische Grundlagen 393
13.2.1 Druckverlustcharakteristik 393
13.2.2 Lockerungsgeschwindigkeit 394
13.2.3 Expansion von Fließbetten 396
13.2.4 Feststoffverhalten bei der Fluidisierung mit einem Gasstrom 397
13.2.5 Betriebszustände in Wirbelschichten 399
13.3 Gasblasen in Wirbelschichten 401
13.4 Feststoffmischung in Wirbelschichten 404
13.5 Gasphasenvermischung in Wirbelschichten 407
13.6 Stoffübergang zwischen Fluid und Partikeln 407
13.7 Modellierung von Wirbelschichtreaktoren 408
13.8 Technische Anwendungen 409
13.8.1 Acrylnitrilsynthese 409
13.8.2 Verbrennung von Kohle 410
13.9 Aufgaben 412
13.10 Literatur 414
XU Inhalt
14 Feststofftransport in Rohrleitungen 415
14.1 Physikalische Grundlagen des Feststofftransports 416
14.2 Pneumatische Förderung 417
14.2.1 Einteilung der pneumatischen Förderung 418
14.2.2 Bestimmung des Druckverlustes 421
14.2.3 Luftexpansion entlang des Förderwegs 432
14.2.4 Fördergeschwindigkeit 433
14.2.5 Technische Fördersysteme 437
14.3 Hydraulische Förderung 438
14.4 Aufgaben 440
14.5 Literatur 442
15 Gas/Flüssigkeits-Strömungen in Rohren 445
15.1 Strömungs- und Phasenverteilungszustände 445
15.1.1 Strömungen in vertikalen Rohren 445
15.1.2 Strömungen in horizontalen Rohren 447
15.2 Grundlegende Beziehungen und Definitionen 448
15.3 Bestimmung der Strömungsform 450
15.3.1 Strömungsformen in horizontalen Rohren 452
15.3.2 Strömungsformen in vertikalen Rohren 453
15.3.3 Schlupf 455
15.4 Berechnungsverfahren für Gas/Flüssigkeits-Strömungen 456
15.4.1 Homogenes Modell 457
15.4.2 Heterogenes Modell (Schlupfmodell) 461
15.5 Aufgaben 465
15.6 Literatur 466
16 Bodenkolonnen 467
16.1 Thermodynamische Grundlagen 467
16.1.1 Stoffbilanz um eine Rektifizierkolonne 468
16.1.2 Stoffbilanz um eine Absorptions- oder Desorptionskolonne 472
16.2 Konstruktive Merkmale 474
16.3 Belastungsbereich und Belastungskennfeld von Kolonnenböden 479
16.3.1 Maximale Gasbelastung 480
16.3.2 Minimale Gasbelastung 481
16.3.3 Maximale Flüssigkeitsbelastung 483
16.3.4 Minimale Flüssigkeitsbelastung 484
16.3.5 Belastungskennfeld 484
16.4 Zweiphasenströmung in Bodenkolonnen 485
16.5 Druckverlust des Gases am Boden 486
16.6 Phasengrenzfläche in der Zweiphasenschicht 488
16.7 Stoffübergang in der Zweiphasenschicht 490
16.3 Aufgaben 496
16.4 Literatur 498
Inhalt XIII
17 Packungskolonnen 499
17.1 Aufbau und Funktionsweise 499
17.2 Fluiddynamik 503
17.2.1 Flüssigkeitsinhalt 504
17.2.2 Druckverlust 510
17.3 Belastungsgrenzen, Belastungskennfeld, Arbeitsbereich 514
17.4 Stoffübergang 518
17.5 Axiale Dispersion 523
17.6 Aufgaben 524
17.7 Literatur 525
18 Mischen und Rühren 527
18.1 Definitionen und Einteilungen 527
18.2 Einphasige Systeme 529
18.2.1 Statische Mischer 529
18.2.2 Rühren 533
18.2.3 Homogenisieren in Rührgefäßen 546
18.3 Mehrphasensysteme 547
18.3.1 Suspendieren von Feststoffen 547
18.3.2 Begasen 552
18.3.3 Dispergieren von Flüssig/flüssig-Systemen 561
18.3 Aufgaben 566
18.4 Literatur 568
19 Blasensäulen 571
19.1 Blasensäulen mit und ohne Einbauten 573
19.1.1 Bauarten 573
19.1.2 Fluiddynamik 575
19.1.3 Blasengröße und -bewegung 577
19.1.4 Dispersion 579
19.1.5 Gasgehalt 580
19.1.6 Stofftransport 582
19.1.7 Wärmeübergang 586
19.2 Suspensionsblasensäulen 588
19.3 Airlift-Schlaufenapparate 590
19.4 Abstromblasensäulen 592
19.4.1 Bauarten und Einsatzgebiete 593
19.4.2 Betriebsbedingungen und Gasgehalt 594
19.4.3 Stoffübertragung 596
19.5 Modellgleichungen zur Beschreibung von Blasensäulenreaktoren 596
19.6 Anwendungsbereiche 599
19.7 Aufgaben 600
19.8 Literatur 603
Sachverzeichnis 605
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