Die Thermodynamik des Wärme- und Stoffaustausches in der Verfahrenstechnik

Die Gemischzusammensetzung muß naturgemäß so dargestellt werden, daß die Summe der Beiträge der einzelnen Bestandteile die Gesamtheit des Gemisches ergibt. Wird der Betrag eines jeden Bestandteils x, y, z ... als Bruchteil (Massen-, Volumen- oder Molenbruch) des Ganzen ausgedrückt, so besteht bei allen Darstellungen für die Brüche die Bilanzgleichung:

Für den Umweltschutz ist das Verfahren Adsorption von großer Bedeutung. Unter Adsorption versteht man die Verdichtung eines Gases oder Dampfes an Phasengrenzflächen, die Feststoffe umgrenzen. Die starke Adsorption von Gasen an porenhaltigen Stoffen wie Aktivkohlen ist nur als ein besonderer Fall der Verdichtung von Gasen an der Berührungsfläche mit festen Körpern überhaupt zu betrachten. Nicht nur Körper mit rauher oder zerklüfteter Oberfläche zeigen diese Erscheinung, sondern auch solche mit glatten Oberflächen (beispielsweise Feuchtigkeitsaufnahme eines ausgeheizten Porzellantiegels aus der Atmosphäre). Die Ursache der Adsorption liegt im Wirken von Anziehungskräften zwischen der adsorbierenden Oberfläche, dem Adsorbens, und den zu adsorbierenden Molekülen, dem Adsorptiv. Diese Kräfte sind grundsätzlich von gleicher Art wie die zwischen zwei Atomen oder Molekeln herrschenden. Nach Wedler (23) kann man unterscheiden: Dispersionskräfte (Anziehungskräfte über Resonanz durch Fluktuieren der Ladungswolke trotz symmetrischer Ladungsverteilung), die relativ weit reichen, Abstoßungskräfte (bei starker Annäherung der Partner und Überlappung der Eigenfunktionen), die bei unpolarem Charakter von Adsorptiv und Adsorbens allein zu berücksichtigen sind, Dipol-Wechselwirkungen, wenn das Adsorptiv polar und das Adsorbens unpolar ist oder umgekehrt, Valenzkräfte (bei hinreichender Annäherung der Partner und Überlappung der Eigenfunktionen), die für die Chemisorption bestimmend sind, und Wechselwirkungskräfte zwischen den Atomen oder Molekeln des Adsorptivs in bereits gebundener Form, also des Adsorpts, wenn die Belegung des Adsorbens mit Adsorpt groß ist. Während bei der Absorption von Gasen in Flüssigkeiten für die Gleichgewichtsbeladung der Einfluß der Oberfläche unwesentlich ist und der aufzunehmende Stoff, das Sorptiv, ins Innere der aufzunehmenden Flüssigkeit, des Sorbens, eindringt, ist bei der Adsorption gerade die Anreicherung des Gases oder Dampfes (Adsorptiv) an der Oberfläche (auch Porenoberfläche im Innern) das wesentliche Merkmal. In vielen Fällen spielt wegen der Kleinheit der Grenzfläche die als Randerscheinung auftretende Adsorption keine Rolle. Will man diese jedoch trotz der geringen Reichweite der oben genannten Kräfte, die äußerst dünne Schichten des Adsorpts bedingen, stärker hervortreten lassen, so muß man große wirksame Oberflächen auf kleinem Raum schaffen. Wie gewaltig die Oberflächenzunahme durch Zerteilung werden kann, lehrt ein Vergleich der Oberfläche von 6 cm² eines ungeteilten Würfels von 1 cm Kantenlänge und 1 cm³ Volumen mit der durch Teilung desselben Volumens in 10¹² kleine Würfel von 1 μm = 0,001 mm = 0,0001 cm Kantenlänge vergrößerten Oberfläche von 6 m².

Die Absorption flüchtiger Stoffe in der Technik besteht in der Aufnahme von Gasen und Dämpfen durch Waschflüssigkeiten zum Zweck der Beseitigung, Gewinnung und Wiedergewinnung aus Gas- und Dampfgemischen oder auch zum Zwecke der Zerlegung von Gasgemischen in ihre Komponenten. Während die Absorption im Anfang ihrer technischen Anwendung nur zur Reinigung von Gasen der Leuchtgasindustrie diente, wurde sie alsdann in der Schwefelsäureindustrie benutzt, um die nitrosen Gase aus Abgasen der Bleikammern auszuwaschen und später in der Steinkohlenindustrie in großem Maßstab zur Entfernung des wertvollen Benzols aus dem Koksofengas verwendet. Mit dem Aufblühen der chemischen Industrie und des besonderen Zweiges der Kunststoffindustrie bildeten sich in rascher Entwicklung verschiedene Waschverfahren aus, einesteils zur Wiedergewinnung wertvoller Lösungsmittel aus Abgasen, andernteils zur Vermeidung von Explosionsgefahren und zur Reingiung der Luft in Arbeitsräumen von gesundheitsschädlichen Dämpfen sowie für den Umweltschutz.

Die Extraktion oder genauer die Flüssig-Flüssig-Extraktion (im Unterschied zur Fest-Flüssig-Extraktion) ist ein thermisches Trennverfahren zur Entfernung eines gelösten Stoffes (im folgenden meist als Komponente C bezeichnet) durch Zusatz eines geeigneten Lösungsmittels, meist B genannt. Nachdem sich dieses während des Arbeitsvorganges mit C beladen und angereichert hat, verläßt es als Extrakt(phase) (″) die Trennvorrichtung. Die von C zumindest teilweise gereinigte Ausgangslösung, also A/C, verläßt die Apparatur als Raffinat(phase) (′). Die Extraktion hat den Unterschied der Dichten von Ausgangslösung und Lösungsmittel und schärfer noch den von Extrakt und Raffinat zur Voraussetzung, da die beiden Phasen mechanisch getrennt werden müssen, wenn C extrahiert werden soll. Die Apparaturen zur Extraktion sind im Gegensatz zur Rektifikation, Adsorption und Absorption vielgestaltig. Im einfachsten Falle bedient man sich Mischer und meist liegender Abscheider, häufig werden aber auch Gegenstromkolonnen benutzt, die entweder Füllkörpersäulen oder Siebbodenkolonnen mit und ohne Pulsation oder Kolonnen mit rotierenden Einbauten (z.B. R D C = rotating disc contactor) sein können. In diese Kolonnen fließt die schwerere Flüssigkeit oben und die leichtere unten ein. Die Extraktion kann nun so betrieben werden, daß entweder die schwerere Flüssigkeit in Tropfen verteilt als disperse Phase durch die unverteilte leichtere als kontinuierliche Phase fällt oder daß umgekehrt die leichtere in Tropfen verteilt durch die unverteilte schwerere steigt. Da die den Stoffaustausch wesentlich beeinflussende Eigenschwingungszahl der Tropfen proportional der Wurzel aus der Grenzflächenspannung (vgl. 1. Bd., Gl. [217]) ist, geht der Stoffaustausch (also die Wanderung von C) bei höherer Grenzflächenspannung zwischen Extrakt- und Raffinatphase besser und rascher vonstatten. Wegen der zwar verschiedenen, meist aber nicht sehr unterschiedlichen Dichten der beiden Phasen ist es gleichgültig, ob die schwerere Flüssigkeit in fallenden oder die leichtere in steigenden Tropfen durch die kontinuierliche Phase strömt. Allerdings entscheidet das Mengenverhältnis oft, welche Phase kontinuierlich ist. Bei großem Überschuß einer Phase, wird diese kontinuierlich sein.

Man erhält zunächst rein rechnerisch