Übersicht - Lehrstuhl Mechanische Verfahrenstechnik

Prof. Dr.-Ing. habil. J. Tomas – Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik
Sommersemester 2013
Prof. Dr.-Ing. habil. J. Tomas, 10-237, Tel.: 18 783, juergen.tomas@ovgu.de
Vorlesung "Mechanische Trennprozesse"
Vorlesung: Do. 9:00 - 11:00 G 05 - 208
Seminar: Mi. (2. Wo) 11:00 - 13:00 G 05 - 314
Unterlagen: http://www.mvt.ovgu.de/Lehre/Vorlesung+MTP.html, Vorlesungsskript, Folien,
und Praktikumsanleitungen
1. Einführung in die mechanische Flüssigkeitsabtrennung
1.1 Trinkwasseraufkommen und Trinkwasseraufbereitung
1.2 Wasserverbrauch und Aufkommen von Abwasser
1.3 Anlagenbeispiel Abwasserklärung und -reinigung
2. Grundlagen und Mikroprozesse
2.1 Relativbewegung von Partikeln in einem Fluid und Partikelumströmung
2.2 Durchströmung von Partikelschichten
2.3 Turbulente Transportvorgänge
2.4 Kennzeichnung der Güte eines Trennprozesses und Trennfunktion
2.5 Trennprozessmodelle
3. Sedimentation
3.1 Prozessgrundlagen und Auslegung
3.2 Sedimentation im Schwerkraftfeld, Absetzbecken
3.2.1 Schwerkrafteindicker
3.2.2 Lamelleneindicker
3.2.3 Flocken und Dispergieren feiner und ultrafeiner Partikel in Suspensionen
3.3 Sedimentation im Zentrifugalkraftfeld
3.3.1 Hydrozyklone
3.3.2 Zentrifugen
4. Schwimm-Sink-Trennung
4.1 Prozessgrundlagen und Auslegung
4.2 Leichtstoffabscheider
5. Filtration
5.1 Prozessgrundlagen und Auslegung
5.2 Kuchenfiltration
5.2.1 Prozessgrundlagen und Modellierung
5.2.2 Schwerkraftfilter
5.2.3 Zentrifugalkraftfilter
5.2.4 Saugfilter
5.2.5 Druckfilter
5.3 Tiefenfiltration
5.3.1 Prozessgrundlagen und Modellierung
5.3.2 Apparate, Dimensionierung und Anwendungsbeispiele
6. Querstrom- und Membranfiltration
6.1 Querstromfiltration
6.1.1 Grundlagen und Modellierung
6.1.2 Apparate, Dimensionierung und Anwendungsbeispiele
6.2 Membranfiltration
6.2.1 Prozessgrundlagen der Membranfiltration
6.2.2 Membrane (Arten, Herstellung)
6.2.3 Mikrofiltration, Ultrafiltration, Umkehrosmose
Praktische Übungen: Sedimentation (Keitel), Zentrifugation I (Schlinkert), Kuchenfiltration
(Keitel), Pressfiltration (Schlinkert), Querstrom-Membranfiltration (Kleinschmidt)
MTP_0 VO Mechanische Trennprozesse, Einleitung, Prof. Jürgen Tomas 04.04.2013

Prof. Dr.-Ing. habil. J. Tomas – Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik
Institut für Verfahrenstechnik Sommersemester 2013
Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik
Prof. Dr.-Ing. habil. J. Tomas, 10-237, Tel.: 18 783, juergen.tomas@ovgu.de
Vorlesung "Mechanische Trennprozesse"
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MTP_0 VO Mechanische Trennprozesse, Einleitung, Prof. Jürgen Tomas 04.04.2013

Prof. Dr.-Ing. habil. J. Tomas – Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik
1 Einführung in die mechanische Flüssigkeitsabtrennung 2
1.1 Problembeschreibung ......................................................................... 2
1.2 Wasserverbrauch und Aufkommen von Abwasser ............................ 5
1.2.1 Aufkommen von Abwasser ........................................................ 5
1.2.2 Abwasserinhaltsstoffe ................................................................. 8
1.2.3 Ziele der Abwasserbehandlung ................................................ 11
1.2.4 Feststoffanteile im kommunalem Abwasser ............................ 12
1.3 Flüssigkeitsbindung in Partikeln und Entwässerbarkeit von Schlämmen 13
1.4 Anlagenbeispiel Abwasserreinigung ................................................ 13
2 Grundlagen und Mikroprozesse 16
2.1 Relativbewegung von Partikeln in einem Fluid ............................... 16
2.1.1 Wirkende Strömungs- und Feldkräfte ...................................... 17
2.1.2 Bewegung steifer Partikeln in einer stationären Strömung ...... 23
2.1.2.1 Stationäre Partikelbewegung ................................................... 23
2.1.2.2 Beschleunigte Partikelbewegung ............................................ 27
2.1.3 Partikelbewegung im Fliehkraftfeld einer Wirbelströmung ..... 28
2.1.4 Bewegung deformierbarer Partikeln in stationärer Strömung .. 32
2.1.5 Bewegung von Partikelschwärmen .......................................... 32
2.1.6 Fließverhalten von wässrigen Suspensionen ............................ 35
2.2 Durchströmung von Partikelschichten ............................................. 36
2.2.1 Durchströmungsverhalten von Partikelschichten ..................... 36
2.2.2 Durchströmung von Wirbelschichten ....................................... 43
2.3 Turbulente Transportvorgänge ......................................................... 50
2.3.1 Kennzeichnung von turbulenten Strömungen .......................... 50
2.3.2 Transportvorgänge in turbulenten Strömungen ........................ 61
2.3.2.1 Turbulenter Transport in Einphasenströmungen ..................... 62
2.3.2.2 Turbulenter Partikeltransport .................................................. 64
2.4 Trennmodelle und Trennerfolg des Stromklassierens ...................... 68
2.4.1 Kennzeichnung des Trennerfolges mittels Trennfunktion ....... 68
2.4.2 Allgemeines Bilanzmodell - FOKKER-PLANCK-Gleichung . 76
2.4.3 Querstromklassierung ............................................................... 79
2.4.3.1 laminare Querstromhydroklassierung ..................................... 80
2.4.3.2 turbulente Querstromklassierung ............................................ 81
2.4.4 Turbulente Gegenstromklassierung .......................................... 85
3 Sedimentation 96
3.1 Grundlagen und Auslegung des Sedimentationsprozesses ............... 97
3.1.1 Einzelpartikel-Sedimentation ................................................... 98
3.1.2 Zonen-Sedimentation ............................................................. 100
3.1.3 Auslegung eines kontinuierlichen Sedimentationsprozesses . 103
3.1.3.1 Rechteckbecken ..................................................................... 103
3.1.3.2 Rundbecken ........................................................................... 104
3.1.3.3 Absetz-Reihenversuche der Sedimentation ........................... 108
3.1.3.4 Kompressionsversuche .......................................................... 111
3.2 Sedimentationsapparate .................................................................. 114
3.2.1 Schwerkrafteindicker und -klärer ........................................... 114
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3.2.1.1 Rechteckbecken ..................................................................... 114
3.2.1.2 Schlammräumung.................................................................. 114
3.2.1.3 Rundeindicker ....................................................................... 115
3.2.2 Intensivierungsmöglichkeiten des Sedimentationsprozesses: 120
3.2.2.1 Lamelleneindicker ................................................................. 120
3.3 Agglomerieren (Flocken) und Dispergieren feiner Feststoffpartikeln in Suspensionen 123
3.3.1 Flocken und Dispergieren mittels Beeinflussung der Adhäsions- und
Abstoßungskräfte ................................................................................ 123
3.3.1.1 Wechselwirkungspotentiale und -kräfte ................................ 123
3.3.1.2 Strukturmodelle des Wassers ................................................ 126
3.3.1.3 Modelle der Ausbildung elektrischer Doppelschichten ........ 126
3.3.2 Flocken durch organische Makromoleküle ............................ 137
3.3.3 praktischer Einsatz der Flockung ........................................... 140
3.4 Zentrifugalkrafteindicker und -klärer ............................................ 143
3.4.1 Hydrozyklone ......................................................................... 143
3.4.1.1 Apparate ................................................................................ 143
3.4.1.2 Hydrozyklonauslegung.......................................................... 146
3.4.2 Mantelzentrifugen ................................................................... 152
3.4.2.1 Auslegung.............................................................................. 152
3.4.2.2 Zentrifugen ............................................................................ 156
4 Schwimm-Sink-Trennung 162
4.1 Grundlagen und Auslegung der Leichtstofftrennung ..................... 162
4.2 Leichstoffabscheider ....................................................................... 165
4.2.1 Rechteckbecken ...................................................................... 165
4.2.2 Rundbecken mit Leichtstoffabscheidung ............................... 166
4.2.3 Leichtflüssigkeitsabscheider ................................................... 167
4.2.3.1 Bezinabscheider mit Schwimmerregelung ............................ 169
4.2.3.2 Ölabzug mit Niveauregelung ................................................ 170
4.2.3.3 Flotation ................................................................................ 170
4.2.3.4 Zusatzmittel: pulverförmige Adsorptionsmittel .................... 171
4.2.3.5 Leichtstoffbinder ................................................................... 171
4.2.4 Abscheidung von Fetten ......................................................... 172
4.2.5 Leichtstoffsperren auf Gewässern .......................................... 174
4.2.5.1 Mechanische Sperren ............................................................ 176
4.2.5.2 Adsorptionssperren................................................................ 177
4.2.5.3 Pneumatische Sperren ........................................................... 177
5 Filtration 182
5.1 Grundlagen der Kuchenfiltration .................................................... 182
5.1.1 Wesentliche Prozeßparameter der Kuchenfiltration ............... 183
5.1.2 Modellierung der Kuchendurchströmung ............................... 185
5.1.2.1 Einführung in die Kuchendurchströmung ............................. 185
5.1.2.2 Oberflächenfiltration inkompressibler Kuchen ..................... 187
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5.1.2.3 Oberflächenfiltration kompressibler Kuchen ........................ 190
5.1.3 Experimentelle Bestimmung der Prozeßparameter einer Kuchenfiltration 194
5.1.4 Dynamik der Pressfiltration einer Suspension ....................... 195
5.2 Ausrüstungen zur Kuchenfiltration ................................................ 201
5.2.1 Filtermittel und Filterhilfsmittel ............................................. 201
5.2.2 Filterapparate .......................................................................... 203
5.2.2.1 Schwerkraftfilter.................................................................... 203
5.2.2.2 Saugfilter ............................................................................... 204
5.2.2.3 Zentrifugalkraftfilter (Siebzentrifugen)................................. 207
5.2.2.4 Druckfilter und Preßfilter ...................................................... 208
5.3 Tiefenfiltration ................................................................................ 212
5.3.1 Wirkprinzip ............................................................................. 212
5.3.2 Modellierung und Berechnungsansätze .................................. 214
5.3.2.1 Abscheidung .......................................................................... 214
5.3.2.2 Druckverlust .......................................................................... 215
5.3.3 Tiefenfilterapparate ................................................................ 215
6 Querstrom- und Membranfiltration 218
6.1 Querstromfiltration ......................................................................... 218
6.1.1 Grundlagen und Modellierung ............................................... 218
6.1.1.1 Querstromfiltration mit Membranmodulen ........................... 219
6.1.1.1.1 Porenströmung und -diffusion....................................... 219
6.1.1.1.2 Permeabilitätsmethode und Porengrößenverteilung ...... 221
6.1.2 Apparate, Dimensionierung und Anwendungsbeispiele ........ 223
6.1.2.1 Querstromfiltration mit periodischer Rückspülung............... 225
6.1.2.2 Apparate zur Querstromfiltration .......................................... 226
6.1.2.3 Übersicht über die Einsatzgebiete der Querstromfiltration ... 227
6.2 Membranfiltration ........................................................................... 229
6.2.1 Charakterisierung der Stoffeigenschaften von kolloiden Dispersionen 229
6.2.1.1 Partikelgröße von kolloiden Dispersionen ............................ 229
6.2.1.2 Partikeldiffusion in kolloiden Dispersionen .......................... 232
6.2.2 Membrane (Arten, Herstellung) ............................................. 235
6.2.2.1 Allgemeine Beschreibung und Einteilung............................. 235
6.2.2.2 Polymermembranen und ihre Herstellung............................. 237
6.2.2.3 Membranen aus anorganischen Materialien .......................... 240
6.2.2.4 Charakterisierung mikroporöser Membranen ....................... 242
6.2.2.4.1 Überblick über die zu charakterisierenden Eigenschaften242
6.2.2.4.2 Die Trenngrenze ............................................................ 245
6.2.2.4.3 Oberflächeneigenschaften ............................................. 250
6.2.2.4.4 Benetzbarkeit ................................................................. 251
6.2.3 Mikrofiltration ........................................................................ 257
6.2.4 Ultrafiltration .......................................................................... 257
6.2.5 Umkehrosmose ....................................................................... 257
7 Elektrophorese und Elektroosmose 257
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empfohlene und weiterführende Literatur zur Lehrveranstaltung
Mechanische Trennprozesse/ Mechanische Flüssigkeitsabtrennung:
Verfasser Titel Verlag Jahr
/Herausgeber
- Lehr- und Handbuch der Abwassertechnik
Verlag W. Ernst & Sohn, 1985
Bd. 3, 5
Berlin
Grassmann, P. Physikalische Grundlagen der Verfahrenstechnik
Salle / Sauerländer Verlag, 1983
Aarau
Hahn, H.H. Wassertechnologie. Fällung, Flockung, Springer Verlag, Berlin 1987
Separation
Hartinger, L. Handbuch der Abwasser- und Recyclingtechnik
C. Hanser Verlag, München 1991
für die metallverarbeitende
Industrie
Förstner, U. Umweltschutztechnik - eine Einführung
Springer Verlag, Berlin 1993
Brauer, H. Handbuch des Umweltschutzes und der Springer Verlag, Berlin 1996
Umwelttechnik, Bd 4 Behandlung von
Abwässern
Löffler, F., Grundlagen der Mechanischen Verfahrenstechnik
Vieweg & Sohn Verlag, 1992
Raasch, J.
Braunschweig
Löffler, F., Staubabscheiden
Georg Thieme Verlag, Stuttgart
1988
Raasch, J.
Schubert, H. Handbuch der Mechanische Verfahrenstechniheim
Whiley-VCH Verlag, Wein-
2003
(Ed.)
Schubert, H. Mechanische Verfahrenstechnik Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie,
1990
Leipzig
Schubert, H. Aufbereitung fester mineralischer Rohstoffe,
Deutscher Verlag für Grund-
1989
Bnd I
stoffindustrie, Leipzig
Schubert, H. Aufbereitung Stoffe, Bnd II: Sortierprozessstoffindustrie,
Deutscher Verlag für Grund-
1996
Stuttgart
Schubert, H. Aufbereitung fester mineralischer Rohstoffe,
Deutscher Verlag für Grund-
1984
Bnd III
stoffindustrie, Leipzig
Stiess, M. Mechanische Verfahrenstechnik 1 Springer Verlag, Berlin 2008
Stiess, M. Mechanische Verfahrenstechnik 2 Springer Verlag, Berlin 1994
Zogg, M. Einführung in die Mechanische Verfahrenstechnik
B.G. Teubner, Stuttgart 1987
Abfallwirtschafts-Journal
Abwassertechnik
Aufbereitungs-Technik
Chemical Engineering Journal
Chemical Engineering & Processing
Chemical Engineering Science
Chemie-Ingenieur-Technik
Entsorgungspraxis
Filtration and Separation
Filtrieren und Separieren
Sekundärrohstoffe
Separation Science and Technology
Verfahrenstechnik
Wasser-Abwasser-Praxis
Wasser, Luft und Boden
Water, Air and Soil Pollution
Particle Characterization
Journal of Colloid and Interface Science
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Schwerpunkte der mündlichen Prüfung „Mechanische Trennprozesse“
SS 2004
1 Einführung, Aufkommen, Beispiele
bei welchen vt-Prozessen ist Mechanische Flüssigkeitsabtrennung (MFA) erforderlich, wesentliche
Prozeßziele und zu lösende Probleme
Wasserverbrauch und Aufkommen kommunaler Abwässer, Abwasserinhaltsstoffe, TOC,
CSB, BSB5
Einflußgrößen für Trennerfolg, Wirkprinzipien, Triebkraft u. Apparatebeispiele d. MFA,
Trenngrenzen der Filtration
Blockfließbild eines Abwasserreinigungsverfahrens
2 Grundlagen und Mikroprozesse
Relativbewegung von Partikeln, Bereiche der Partikelumströmung
Partikelschwarmbewegung, Fließverhalten von Suspensionen,
Durchströmung von Partikelschichten
Turbulente Wirbel, turbulenter Partikeltransport, Partikeldiffusion
Modelle der turbulenten Gegenstrom- und Querstromklassierung
3 Sedimentation
3.1 Auslegungsschritte der Schwerkraftsedimentation, Einflußgrößen, Zielgrößen, Randbedingungen,
Modellvoraussetzungen
Ablauf von Absetzversuchen, Absetzkurven h(t), Auslegung der kontinuierlichen Sedimentation,
Auslegungsschritte, Voraussetzungen
verschiedene Auslegungsmethoden diskutieren, Berücksichtigung der Dickschlammkompression
Rechteck- und Rundbecken, Anwendungsgrenzen, Vor- und Nachteile
3.2 Intensivierungsmöglichkeiten des Sedimentationsprozesses
Grundlagen der Flockung, Wirkungsweise u. Einsatz von Flockungsmittel
Sedimentation im Zentrifugalkraftfeld, Arbeitsweise Hydrozyklon, Auslegung, Schaltungsvarianten
und Kombinationen
Auslegungsschritte für Zentrifugen, Wandstärkeberechnung zylindrische Trommel
Arbeitsweise Dekanter, Tellerzentrifuge , Filter- u. Siebzentrifuge, Vor- u. Nachteile
4 Schwimm-Sink-Trennung
Auslegung der Leichtstoffabtrennung
Leichtstoffabtrennung beim Rechteck- und Rundbecken, Bauformen u.
Entnahmeeinrichtungen
Leichtflüssigkeitsabscheider, Leichtstoffflotationsanlage, Leichtstoffsperren, Vor- u. Nachteile,
Einsatzgebiete
5 Filtration
Wirkprinzipien der Filtration, Einsatzgebiete, genutzte Triebkräfte, Trenngrenzen der Filtration
Durchströmung von Kornschichten, Herleitung Filtrationsgleichung
Arbeitsweise Entwässerungssieb, Trommelzellenfilter, Scheibenfilter, Bandzellenfilter,
Kammerfilterpresse, Druckbandfilter, Vor- u. Nachteile
6 Querstrom- und Membranfiltration
Wirkprinzipien der Membranfiltration, Einsatzgebiete, genutzte Triebkräfte
Durchströmung und Stoffdurchgang von Membranen
Membranarten, Einsatzgebiete, Vor- u. Nachteile
Aufbau einer Ultrafiltrationsanlage
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