Grundlagen der Verfahrenstechnik

Verfahrenstechnik ist die Lehre von den Veränderungen von Stoffen (Gasen, Flüssigkeiten, Feststoffen) durch physikalische¹, chemische oder biologische Vorgänge für industrielle Zwecke. Physikalische Vorgänge bedeuten in diesem Zusammenhang Veränderungen eines Stoffes hinsichtlich Größe, Form, Zusammensetzung und Aggregatzustand; chemische Veränderungen werden durch chemische Reaktionen und biologische durch die Anwesenheit von Mikroorganismen bewirkt.

Unter einer Verfahrensstufe versteht man die technische Realisierung einer Grundoperation, bestehend einerseits aus dem die Vorgänge beschreibenden Wissen und andererseits aus den zum Betrieb dafür notwendigen Apparaten, Maschinen, Rohrleitungen, Meß- und Regelgeräten und dergleichen. Mehrere Verfahrensstufen setzen sich in der Regel zu einem Verfahren zusammen, deren Realisierung als Anlage bezeichnet wird (vergleiche Abb. 2.1).

Wie bereits in Kapitel 1.0 erläutert wurde, lassen sich sämtliche Grundoperationen der thermischen Verfahrenstechnik auf die verschiedenen Effekte des Stoff-, Energie- und Impulsaustausches zurückführen. Diese Austauscheffekte stellen somit die den thermischen Grundoperationen innewohnenden Grundvorgänge dar. Sie unterliegen dabei bis zu einem gewissen Grad analogen mathematischen Beziehungen, wodurch einerseits eine einheitliche übersichtliche Darstellung der einzelnen Austauscheffekte möglich ist und andererseits aus den betreffenden mathematischen Beziehungen eines Grundvorganges, z. B. des Impulsaustausches, auf die beiden anderen Vorgänge geschlossen werden kann und umgekehrt. Auf diese Analogie der Austauscheffekte wird noch ausführlich in Kapitel 6.0 eingegangen.

In der Verfahrenstechnik sind es drei Größen, für welche die Erhaltungssätze in ihrer strengen Formulierung gültig sind, nämlich

Die Ähnlichkeitstheorie hat prinzipiell zwei Zielsetzungen, einerseits die Verringerung des Dokumentationsaufwandes zur Darstellung eines physikalischtechnischen Sachverhaltes und andererseits die Verringerung des Versuchsaufwandes für die empirische Ermittlung der betreffenden Zusammenhänge.

Eine wichtige Rationalisierungsmöglichkeit der Forschung besteht im Vergleichen von verschiedenen Systemen. Dadurch können Ergebnisse, die an einem System gewonnen wurden, auf andere übertragen und wenigstens teilweise gesonderte Untersuchungen an letzteren erübrigt werden. Eine grundsätzliche Anwendungsmöglichkeit hiefür wurde bereits im vorherigen Abschnitt behandelt, nämlich der Vergleich von physikalisch ähnlichen Systemen.

Zu einem Stoffaustausch in einphasigen Systemen¹ kommt es, wenn Unterschiede in den Konzentrationen der einzelnen Komponenten an verschiedenen Orten des Systems vorliegen. In diesem Fall führt der Konzentrationsgradient zu einem Transport von Stoff (Masse, Molmenge) vom Ort höherer Konzentration zu dem niedrigerer Konzentration.

Bereits in Kapitel 1.0 wurde darauf hingewiesen, daß eine systematische Darstellung der Stoffübergangsvorgänge nur möglich ist, wenn man, unter vereinfachenden Annahmen, Modellvorstellungen entwickelt und an Hand derer die verschiedenen praktisch vorkommenden Vorgänge studiert. Das vorliegende Kapitel, in welchem die Stoffaustauschvorgänge an festen Grenzflächen besprochen werden, ist hierfür ein gutes Beispiel. Ausgehend von den geometrisch einfachsten Fällen der ebenen Platte (Abschnitt 8.1) und der Kugel (Abschnitt 8.2) werden die verschiedenen Fälle des Stoffüberganges bei laminarer und turbulenter Strömung entwickelt. Darauf aufbauend wird schließlich in Abschnitt 8.3 der Stoffübergang an den Grenzflächen umströmter Einzelkörper unterschiedlicher Form besprochen.

Mit dem Begriff Stoffaustausch über oder durch eine Grenzfläche verbindet man die Vorstellung des Transportes einer (oder mehrerer) Komponenten aus einer Phase I über eine Grenzfläche hinweg in eine Phase II. Als Phasenkombinationen können vorkommen: Gas/Flüssig- (Absorption, Desorption), Flüssig/Flüssig-(Extraktion) und Dampf/Flüssig-Systeme (Destillation). Der Stofftransport der Komponenten zur Grenzfläche in Phase I und von der Grenzfläche in das Innere der Phase II wird dabei durch die in Kapitel 7.0 beschriebenen Gesetzmäßigkeiten des Stofftransportes in einer homogenen Phase bestimmt. In diesem Kapitel werden die Zusammenhänge zwischen den Transportgeschwindigkeiten in den beiden Phasen und an der Grenzfläche behandelt. Grundlegend ist dabei die Annahme, daß an der Phasengrenzfläche jeweils thermodynamisches Gleichgewicht zwischen den Phasen besteht. Diese Annahme wurde mehrfach geprüft und bestätigt gefunden [9.1], [9.2]. Nur bei sehr hohen Stoffübergangsgeschwindigkeiten fand man Abweichungen vom Gleichgewichtszustand an der Grenzfläche.

Der Stoffübergang durch die Grenzfläche von Flüssigkeitsfilmen findet bei verschiedenen verfahrenstechnischen Grundoperationen Anwendung. Beispiele dafür sind unter anderem die Absorption von Gasen in Flüssigkeiten, die Desorption gelöster Gase und die Verdampfung von Flüssigkeitsgemischen. Dazu werden im allgemeinen Fallfilmkolonnen, bei denen die Flüssigkeit als dünner Film an der Oberfläche ebener Platten bzw. Rohre herabfließt, oder Füllkörperkolonnen, in denen die Flüssigkeit auf zahlreiche geordnete oder regellos geschüttete Füllkörper aufgeteilt ist, verwendet. Beide Arten weisen eine große Gesamtaustauschfläche zwischen der abwärtströmenden Flüssigkeit und dem im Gleichoder Gegenstrom dazu geführten Gas auf. Die Lauflängen der Flüssigkeitsfilme unterscheiden sich dabei jedoch wesentlich, so daß eine gemeinsame Behandlung der Stoffaustauschvorgänge durch die unterschiedlichen hydrodynamischen Eigenschaften, wie z. B. Wellenstruktur oder Rückvermischung, im allgemeinen nicht möglich ist. Die weiteren Ausführungen beziehen sich nur auf Flüssigkeitsfilme mit einer großen Lauflänge, während zur Beschreibung des Stoffaustausches in Füllkörperkolonnen auf die ausführlichen Darstellungen bei Brauer [10.1] und Sherwood, Pigford und Wilke [10.2] verwiesen wird.

Die meisten Untersuchungen des Stoffüberganges an Blasen und Tropfen beschränken sich auf das Einzelpartikel. Das ist insoferne nachteilig, als man es in der Praxis beinahe ausschließlich nicht mit Einzelpartikeln sondern mit Partikelschwärmen zu tun hat. Es ist daher notwendig, von den für das Einzelpartikel berechneten Werten auf den Partikelschwarm zu schließen, ohne genügende Informationen über diese Transformation zu haben. Es bestehen jedoch einige Arbeiten, insbesondere von Calderbank [11.1] für Blasen sowie von Marr [11.2] für Tropfen, welche den Schluß zulassen, daß man mit einiger Sicherheit tatsächlich von Einzelteilchen auf den Partikelschwarm schließen kann. Selbstverständlich wird man in jedem Falle, abhängig vom Problem bei derartigen Berechnungen, die notwendige Vorsicht walten lassen müssen.

Neben den Grundoperationen, in denen nur physikalische Vorgänge auftreten (vergleiche Kapitel 1.0, Tab. 1.1) sind in der verfahrenstechnischen Praxis vor allem jene Austauschvorgänge bedeutend, bei welchen zusätzlich chemische Reaktionen stattfinden. In diesen Fällen ist es wichtig, den Einfluß der chemischen Reaktion auf die Geschwindigkeit der betreffenden Stoffaustauschvorgänge abschätzen zu können und festzustellen, wo geschwindigkeitshemmende und somit geschwindigkeitsbestimmende Vorgänge auftreten. Diese sollen in der Folge durch geeignete Maßnahmen entweder beseitigt oder in ihrer Wirksamkeit verringert werden, um den Gesamtvorgang insgesamt günstiger ablaufen zu lassen. Dies führt schließlich zu kürzeren Verweilzeiten bzw. kleineren Apparaten, wodurch im allgemeinen wirtschaftlicher gearbeitet werden kann.