Transportvorgänge in der Verfahrenstechnik

Die in der Verfahrenstechnik angewendeten Grundoperationen (unit operations) lassen sich auf verschiedene Effekte des Energie-, Impuls- und Stoffaustausches zurückführen. Diese Austauschvorgänge unterliegen in einem gewissen Umfang analogen mathematischen Beschreibungen, 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.

Der molekulare Transport von Energie (Wärmeleitung) und Stoff (Diffusion) erfolgt weitgehend analog und kann vielfach gleichartig mathematisch behandelt werden. Allerdings zeigen Stofftransportprobleme eine deutlich größere Anzahl und höhere Komplexität der Randbedingungen. Die heterogene Katalyse ist ein typisches Beispiel für eine solche komplexere Randbedingung (s. Abschn. 1.6.1).

Der Wärmeaustausch zwischen zwei Medien erfolgt in technischen Prozessen überwiegend indirekt also über feste Wände hinweg, um eine Vermischung der Medien zu vermeiden. Dagegen findet der Stoffaustausch mit wenigen Ausnahmen (z. B. Umkehrosmose s. Abschn. 9.​5.​5) direkt statt, da eine feste Trennwand üblicherweise mit einem unzulässig großen Stofftransportwiderstand verbunden ist. Die beteiligten Medien sind hierbei allenfalls geringfügig mit einander mischbar. Derartige zwei- oder mehrphasige Systeme können zu einer Reihe komplexer Problemstellungen für eine mathematische Beschreibung führen. So ist beispielsweise beim Aufstieg einer Gasblase in einer Flüssigkeit weder deren Größe noch ihre Form noch ihre Aufstiegsgeschwindigkeit bekannt. Zusätzlich tritt an der Phasengrenzfläche aufgrund ihrer freien Beweglichkeit nicht mehr zwingend eine Geschwindigkeit von null auf, wie dies bei festen Berandungen der Fall ist. Die Geschwindigkeit an der Phasengrenze ihrerseits übt einen starken Einfluss auf die Energie- und Stofftransportprozesse aus und muss in den entsprechenden mathematischen Modellansätzen oder Berechnungen berücksichtigt werden.

In einer Vielzahl technischer Systeme werden Prozesse mit dem Ziel durchgeführt, bestimmte stoffliche oder thermische Ausgleichsvorgänge ablaufen zu lassen. Eine ganz wesentliche Aufgabenstellung stellt hierbei die Vermischung unterschiedlicher Komponenten dar. Dabei ist es unerheblich, ob es sich um ein- oder mehrphasige Systeme handelt. Die mathematische Herangehensweise zur Beschreibung dieser Vorgänge basiert auf den in Abschn. 1.6 erläuterten allgemeinen Energie-, Impuls- und Stoffbilanzen.

Aufgrund zahlloser Anwendungen in unterschiedlichsten Industriebranchen stellen Transportvorgänge bei der Strömung von Fluiden in Rohren ein klassisches Feld der Verfahrenstechnik dar. Wegen der hohen technischen Relevanz liegt ein außerordentlich umfassendes Wissen auf diesem Gebiet vor. Neben der Anwendungsnähe kommt diesem Kapitel aber auch noch weitergehende Bedeutung zu. Die hier diskutierten Grundlagen werden für eine große Zahl komplexerer verfahrenstechnischer Problemstellungen genutzt, indem diese durch geschickte Vereinfachungen auf die Vorgänge bei der Rohrströmung zurückgeführt werden. Eine solche Vorgehensweise bei der Erstellung mathematischer Modelle für komplexe Aufgabenstellungen – die Vereinfachung und anschließende Rückführung eines Problems auf gut beschriebene Grundlagenphänomene – stellt eine für die Verfahrenstechnik typische Strategie dar.

In diesem Kapitel werden Transportvorgänge an ebenen Oberflächen untersucht. Im Gegensatz zur Rohrströmung handelt es sich hier um eine Um- und keine Durchströmung, daher kann die Strömung dem Hindernis ausweichen. Eine erzwungene Strömung, die hier betrachtet wird, kann durch ein Gebläse oder eine Pumpe erzeugt werden. Die besondere Bedeutung dieser speziellen Geometrie liegt nicht allein in den unmittelbaren technischen Anwendungen (z. B. Wärmeübergang in Plattenwärmetauschern und an Rippenflächen oder Stoffübergang bei der Überströmung von Membranoberflächen). Vielmehr ermöglichen die an der Platte zu beobachtenden Phänomene ein grundlegendes und damit auch übertragbares Verständnis für Transportvorgänge. Die Gesetzmäßigkeiten der Platte werden wie die der Rohrströmung entsprechend häufig auf andere komplexere Geometrien angewendet.

In einer unübersehbaren Zahl technischer Anwendungen tritt eine disperse Phase auf, die aus festen oder fluiden Partikeln besteht. Dabei gilt es beispielsweise Teilchen aus einer kontinuierlichen Phase abzutrennen, wie in Absetzbecken, Zentrifugen oder Zyklonen. In anderen Fällen treten zusätzlich Energie- und Stoffaustauschvorgänge auf. Dies gilt für Feststoffe, die z. B. in Lösevorgängen, Kristallisationen, Wirbelschichten oder als Katalysatoren in heterogen katalysierten Reaktionen eingesetzt werden. Tropfen finden u .a. bei Flüssig/flüssig-Extraktionen, Sprühtrocknern oder Gaswäschern einen technischen Einsatz. Gasblasen werden in Absorptions- und Rektifikationsprozessen und in zahlreichen Gas/Flüssigkeits-Reaktoren wie Blasensäulen verwendet.

Feststoffschüttungen oder Haufwerke sind geordnete oder regellose Anordnungen von Einzelkörpern verschiedener Form. Technisch bedeutsame Feststoffschüttungen sind Festbetten bzw. Füllkörperschüttungen. Festbetten werden in zahlreichen verfahrenstechnischen Apparaten eingesetzt, z. B. in Reaktoren, Adsorbern, Ionenaustauschern, Chromatografiesäulen, Tiefenfilter und Hochöfen, um nur einige Beispiele zu nennen. Auch Füllkörper- sowie Packungskolonnen können vereinfachend als Feststoffschüttungen angesehen werden. Da diese für die thermischen Trennverfahren, Rektifikation und Ab- bzw. Desorption eingesetzt werden, erfolgt ihr Betrieb allerdings zweiphasig (s. Kap. 13). Festbetten können demgegenüber sowohl ein-, zwei- oder mehrphasig betrieben werden. Grundsätzlich stellt der Feststoff zwar bereits eine zweite Phase neben dem strömenden Medium dar, in den weiteren Betrachtungen wird er jedoch analog zur Rohrwand (Kap. 5) bzw. zur Oberfläche einer ebenen Platte (Kap. 6) nicht als weitere Phase angesehen, da er in diesem Kapitel als unbeweglich und inert behandelt wird. In diesem Sinne werden im Weiteren die physikalischen Grundlagen bei der einphasigen Durchströmung von ruhenden Feststoffschüttungen vorgestellt.

Die Abtrennung disperser Stoffe aus einem Gas- oder Flüssigkeitsstrom stellt eine häufig auftretende technische Aufgabenstellung dar. Wenn eine einfache Sedimentation aufgrund zu geringer Teilchenabmessungen nicht mehr ökonomisch sinnvoll ist, kommen vielfach Filtrations- oder Membranverfahren zur Anwendung. Obwohl es sich bei dispersen Systemen um typische Zweiphasenströmungen handelt, lassen sich die wesentlichen mathematischen Beschreibungsansätze der Filtration auf Gesetzmäßigkeiten einphasiger Strömungen zurückführen. In diesem Kapitel werden neben dem klassischen Filtrationsverfahren auch die druckgetriebenen Membranverfahren behandelt, die eine Abtrennung von Stoffen bis in den molekularen Bereich hinein ermöglichen. So werden moderne Meerwasserentsalzungsanlagen aufgrund wirtschaftlicher Vorteile überwiegend mit Umkehrosmosemembranen ausgerüstet.

Die Stofftrennprozesse Rektifikation sowie Ab- und Desorption werden in Boden-, Packungs- oder Füllkörperkolonnen durchgeführt. In diesen Apparaten findet zwischen der gas- oder dampfförmigen und der flüssigen Phase ein Stoff- und Wärmeaustausch statt, der bei der Absorption häufig noch von einer chemischen Reaktion begleitet wird. Sowohl der Stoff- als auch der Wärmetransport sind unmittelbar proportional zur Phasengrenzfläche. Zielsetzung aller Kolonnentypen ist die Bildung einer möglichst großen Phasengrenzfläche. In einer Bodenkolonne erfolgt der Stoffaustausch zwischen Gas- und Flüssigkeitsphase auf einzelnen übereinander installierten Trennstufen, den sogenannten Böden.

Neben Böden werden Kolonnen auch mit strukturierten Packungen bzw. regellos verteilten oder auch geordneten Schüttungen aus Füllkörpern ausgerüstet. Diese Apparate werden i. Allg. für Gas/Flüssigkeits-Systeme eingesetzt, die im Gegen- oder Gleichstrom durch die Kolonne geführt werden. Dabei handelt es sich überwiegend um Wärme- und Stoffaustauschprozesse der thermischen Verfahrenstechnik:

Der Förderung fluider Medien kommt in verfahrenstechnischen Prozessen eine außerordentlich große Bedeutung zu. Bereits 1600 v. Chr. sind in Babylon Pumpen zur Förderung von Wasser in Form von Wasserschöpfrädern und tiergetriebenen Schöpfwerken bekannt. Ein wesentlicher Antrieb für die Entwicklung leistungsfähigerer Pumpen resultierte aus dem Bergbau infolge der dort vielfach erforderlichen Grubenentwässerungen. Die erste schriftliche Erwähnung einer Kolbenpumpe findet sich 1450 bei Taccola (Hill 1996) und später ausführlicher bei (Agricola 1556). Da die Einsatzmöglichkeiten von Kolbenpumpen beschränkt sind, wurden zahlreiche weitere Pumpentypen entwickelt. So erfand Denis Papin 1689 die Kreiselpumpe.

In einer sogenannten Wirbelschicht findet eine Aufwirbelung bzw. Fluidisierung fester Partikeln, die im Ruhezustand in Form einer Feststoffschüttung vorliegen, durch eine aufwärtsgerichtete Gas- oder Flüssigkeitsströmung statt. Dieses Kontaktverfahren zeigt einige Besonderheiten, die für eine Reihe technischer Prozesse vorteilhaft genutzt werden können. Seit Einführung dieser Technologie in die großtechnische Produktion durch Winkler im Jahre 1926 zur Kohlevergasung haben Wirbelschichten daher Einzug in eine Vielzahl weiterer Anwendungsbereiche gehalten. Neben zahlreichen chemischen Produktionsprozessen werden u. a. Trocknungsverfahren und Adsorptionsvorgänge ebenso wie Verbrennungen und biotechnologische Prozesse industriell unter Verwendung von Wirbelschichten betrieben (s. z. B. (Kunii, Levenspiel, Fluidization Engineering, 1991).

Für den effektiven Betrieb großtechnischer Produktionsanlagen ist die Fähigkeit, Feststoffe (Rohstoffe, Zwischen- oder Endprodukte) transportieren zu können, von hoher Bedeutung. Die Auswahl geeigneter Fördersysteme richtet sich primär nach dem Fließverhalten des vorliegenden Produkts. Danach sind die zurückzulegende Entfernung sowie der Massendurchsatz die entscheidenden Größen. Für betriebsinterne Transportsysteme gibt es eine Reihe von technischen Möglichkeiten, deren Anwendungsbereiche in Abb. 16.1 umrissen sind. Letztlich muss allerdings immer anhand der Produkteigenschaften überprüft werden, ob das jeweilige Fördersystem auch tatsächlich geeignet ist.

Unter Mischen versteht man das Verteilen von Masseteilchen in einem vorgegebenen Volumen, wobei sich die Teilchen in wenigstens einer Eigenschaft unterscheiden. Solche Eigenschaften können sein:

Blasensäulen sind im weitesten Sinne Apparate, in denen Gas in Form von Blasen mit einer kontinuierlichen Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird. Das kann schon allein zur Vermischung der flüssigen Phase zweckmäßig sein. Viel häufiger jedoch werden Stoffe bei gleichzeitiger Änderung des Aggregatzustandes von der einen in die andere Phase transportiert. Das ist beispielsweise beim Lösen gasförmiger Reaktionskomponenten in der Flüssigkeit oder bei der Desorption (Strippen) flüssiger Reaktionsprodukte der Fall. Beide Vorgänge können auch simultan ablaufen. Fast immer findet dabei eine chemische oder biologische Umsetzung in der flüssigen Phase statt. Je nach Art der Aufgabenstellung kann es sinnvoll sein, durch besondere Maßnahmen den Stoffaustausch zwischen beiden Phasen zu intensivieren oder aber eine gezielte Verweilzeitverteilung einer oder beider Phasen anzustreben. In der Flüssigkeit können zusätzlich inerte, katalytisch wirksame oder reaktive Partikel suspendiert sein.