Einführung - OvGU

Folie 0.8Prof. Dr. J. Tomas, Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik4.6.2.2 Wirksame Trennstufenzahl und Trennstufen-Ausnutzungsgrad 2964.6.2.3 Prozessbewertung mehrstufiger Querstromtrennungen .2964.7 Staubabscheiden .........................................................................2984.7.1 Entstauben ..........................................................................2984.7.2 Staubabsaugung..................................................................3004.7.3 Staubabscheidung...............................................................3014.7.3.1 Schwerkraftabscheider ...................................................3024.7.3.2 Zentrifugalkraftabscheider .............................................3034.7.3.3 Elektrische Abscheider...................................................3084.7.3.4 Filtrationsabscheider ......................................................3114.7.3.5 Nassabscheider ...............................................................3174.7.3.6 Tropfenabscheider ..........................................................3204.8 Schwerpunkte und Kompetenzen...............................................3215 Kombination von Zerkleinerungs- und Klassierprozessen 3265.1 Elemente und Grundschaltungen verfahrenstechnischer Systeme3275.1.1 Reihenschaltung und Kaskadenschaltung ..........................3275.1.2 Parallelschaltung und Umgehungsschaltung......................3285.1.3 Rückführschaltung..............................................................3295.2 Schaltungen von Zerkleinerungs- und Klassierprozessen..........3295.2.1 Zerkleinerungsprozesse......................................................3305.2.2 Klassierprozesse .................................................................3305.2.2.1 Trennfunktion einer Reihenschaltung von Klassierern..3305.2.2.2 Trennfunktion einer Parallelschaltung von Klassierern .3325.3 Schaltungsvarianten von Zerkleinerungs- und Klassierprozessen3335.3.1 Reihenschaltung mit Vorzerkleinerung oder Vorklassierung3335.3.2 Kreislaufschaltungen..........................................................3345.3.2.1 Kreislaufschaltung mit Nachklassierung........................3345.3.2.2 Integrierte innere Kreisläufe in den Zerkleinerungsmaschinen3355.3.2.3 Kreislaufschaltung mit Vorklassierung..........................3365.4 Verfahrenstechnische Fließbilder mit Maschinensymbolen ......3375.5 Auslegungsschritte für Zerkleinerungs- u. Klassiersysteme ......3375.6 Zerkleinerungs- und Klassieranlagen.........................................3385.7 Schwerpunkte und Kompetenzen...............................................3396 Transport und Lagerung von Partikelsystemen 3616.1 Molekulare Wechselwirkungen und Partikelhaftkräfte..............3616.1.1 Bindung durch Adhäsionskräfte zwischen den Partikeln...3626.1.1.1 Bindungsarten.................................................................3626.1.1.2 Adhäsionskräfte..............................................................3636.1.1.2.1 Wasserstoffbrückenbindungen 3636.1.1.2.2 VAN-DER-WAALS-Kräfte 3646.1.1.2.3 Mikromechanische Bewertung des Haftvermögens 3686.1.1.2.4 elektrostatische Kräfte 3696.1.1.2.5 Vergleich der Adhäsionskräfte 3716.1.1.2.6 Oberflächenrauhigkeit und VAN-DER-WAALS-Kräfte 3726.1.1.2.7 Haftkraftminimum beschichteter Partikel 3736.1.1.2.8 Zugabemenge an Nanopartikel 374Folien_SMP_0.doc VO Simulation Mechanischer Prozesse (MVT II) Kap. 0 Einleitung Prof. Dr. J. Tomas 31.03.2011

Folie 0.9Prof. Dr. J. Tomas, Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik6.1.1.2.9 Rauhigkeitseinfluß auf die Adhäsionskräfte 3776.1.1.3 Mikromechanik der Kontaktdeformation und Haftkraftverstärkung 3786.1.1.4 Einfluss von Adsorptionsschichten ................................3836.1.1.5 Modellierung der Schüttgut- bzw. Agglomeratfestigkeit3856.1.2 Bindung mit Hilfe benetzender Flüssigkeiten...................3876.1.2.1 Bindung durch Flüssigkeiten niedriger Viskosität .........3876.1.2.1.1 Kapillarkraftmodell 3876.1.2.1.2 Zerreißarbeit einer Flüssigkeitsbrücke 3906.1.2.1.3 Viskose Bindekraft 3916.1.2.1.4 Einaxiale Zugfestigkeit 3926.1.2.2 Flüssigkeitsbindung in Partikelpackungen.....................3926.1.2.3 Bindung durch Flüssigkeiten hoher Viskosität ..............3946.1.3 Bindung durch Festkörperbrücken .....................................3956.1.3.1 Kristallisationsbrücken...................................................3956.1.3.2 chemische Brückenbindungen........................................3966.1.3.3 Sinterbrücken..................................................................3976.1.4 Formschlüssige Bindungen ................................................4006.2 Spannungszustand und Fließverhalten von Schüttgütern...........4006.2.1 Ruhedruckbeiwert ..............................................................4016.2.2 Herleitung des MOHRschen Spannungskreises.................4026.2.3 Bruchhypothesen und Fließkriterien ..................................4036.2.4 Fließkennwerte von Schüttgütern.......................................4096.2.4.1 Fließfunktion ..................................................................4096.2.4.2 Kompressionsfunktion....................................................4106.2.5 Messung der Fließeigenschaften von Schüttgütern............4126.3 Lagerung von Schüttgütern ........................................................4136.3.1 Verfahrenstechnische Probleme mit Silos und Bunkern....4136.3.2 Auslegung von Silos und Bunker.......................................4146.3.2.1 Auslegungsschritte einer Speicheranlage.......................4146.3.2.2 Auslegung eines Massenflusstrichters............................4156.3.2.3 Auslegung eines Kernflusstrichters................................4176.3.2.4 Austraggeräte und Austraghilfen....................................4186.4 Verweilzeitverhalten bei stationärem Partikeltransport .............4196.4.1 Verweilzeitverteilungsfunktion und –verteilungsdichte ....4196.4.2 Charakteristische Prozessmodelle des Verweilzeitverhaltens4216.4.3 Lösung der zweiten KOLMOGOROFF-Differentialgleichung 4246.5 Schwerpunkte und Kompetenzen...............................................4277 Agglomeration 4317.1 Festigkeit der Agglomerate ........................................................4327.2 Aufbauagglomeration.................................................................4337.2.1 Prozessgrundlagen..............................................................4337.2.2 Pelletierausrüstungen..........................................................4367.2.2.1 Pelletierteller ..................................................................4377.2.2.2 Pelletiertrommeln ...........................................................4387.2.3 Pellethärtung.......................................................................4397.3 Pressagglomeration (Brikettieren, Tablettieren) ........................4407.3.1 Kompressibilität und Verpressbarkeit................................4417.3.1.1 Mikroprozesse ................................................................4417.3.1.2 Kompressibilität der Stoffe ............................................442Folien_SMP_0.doc VO Simulation Mechanischer Prozesse (MVT II) Kap. 0 Einleitung Prof. Dr. J. Tomas 31.03.2011

Folie 0.10Prof. Dr. J. Tomas, Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik7.3.2 Ausrüstungen für die Pressagglomeration..........................4497.3.2.1 Stempel- und Tablettenpressen ......................................4497.3.2.2 Strang- und Lochpressen................................................4507.3.2.3 Walzenpressen................................................................4527.4 Schwerpunkte und Kompetenzen...............................................4548 Mischen 4568.1 Mischen von Partikelsystemen...................................................4578.1.1 Kennzeichnung des Mischungszustandes von Partikelsystemen 4578.1.1.1 Stochastische Homogenität und Modell der vollständigen Zufallsmischung 4578.1.1.2 Kinetik des Mischens von Partikelsystemen..................4648.1.1.3 Auslegung der Kinetik....................................................4668.1.2 Mischer für Partikelsysteme...............................................4678.1.2.1 Rotierende Mischbehälter...............................................4688.1.2.1.1 Prozessbedingungen 4688.1.2.1.2 Auslegung 4698.1.2.2 Zwangsmischer mit Agitationsorganen..........................4698.1.2.3 Homogenisiersilos (mit festen Einbauten) .....................4708.1.2.4 Pneumatische Mischer....................................................4708.1.2.4.1 Durchströmungsverhalten von Partikelschichten 4718.1.2.4.2 Durchströmung von Wirbelschichten 4788.1.2.4.3 Auslegung von Wirbelschichtmischern 4858.1.2.5 Strahlmischer..................................................................4878.2 Schwerpunkte und Kompetenzen...............................................487Folien_SMP_0.doc VO Simulation Mechanischer Prozesse (MVT II) Kap. 0 Einleitung Prof. Dr. J. Tomas 31.03.2011

Prof. Dr. J. Tomas, Lehrstuhl für Mechanische VerfahrenstechnikBlockfließbild eines StoffwandlungsverfahrensBilanzgrenze für Stoff-, Energie-, Informations- und KostenströmeRohstoffeFolie 0.11Rohstoffe (R)Hilfsstoffe (H)Speicher(R)Speicher(H)RohstoffaufbereitungStoffumwandlungStofftrennungInformationenProduktAProduktBAbfallInformationenProduktformulierungSpeicher(A)Speicher(B)Speicher(Ab)AbfallHauptproduktNebenproduktEnergieHilfsstoffversorgungHilfsstoffaufbereitungEnergieKostenSpeicher(Ab)Recyclingverfahren(Wiederverwertung)ErlöseGrundlagen siehe: G. Gruhn, K. Hartmann, J. Kardos, R. Helfricht, L. Dietsch und W. Kauschus, Systemverfahrenstechnik, Dt. Verlag f. Grundstoffindustrie, Leipzig 1976Folien_SMP_0.doc VO Simulation Mechanischer Prozesse (MVT II) Kap. 0 Einleitung Prof. Dr. J. Tomas 31.03.2011

Folie 0.12Prof. Dr. J. Tomas, Lehrstuhl für Mechanische VerfahrenstechnikÜbersicht über wesentliche Prozesse der Aufbereitungstechnik und PartikeltechnikSkizze des Wirkprinzips Prozess Zugeordnete ProzesseZerteilen ZerkleinernDispergierenPhysikalisches Wirkprinzipvon Festkörpern (irreversibel)schwach gebundener Agglomerate(reversibel)KlassierenTrennung nach PartikelgrößenSiebklassieren nach geometrische AbmessungenStromklassieren nach SinkgeschwindigkeitSortierenund AnreichernLaugenTrennen nach physikalischen StoffeigenschaftenDichtesortierung nach DichteKlaubenoptische EigenschaftenMechan. Sortieren mechan. Eigenschaften (Elastizität)Magnetscheidung magnetische EigenschaftenElektrosortierung nach LeitfähigkeitFlotationnach BenetzbarkeitLösenflüssigkeitslöslicher PhasenExtrahieren Flüssig-Flüssig-PhasenübergangKristallisierenKristallisieren Verdampfen der FlüssigkeitFällen Erzeugung neuer unlöslicher festerPhaseMischen Vereinigen verschiedener PartikelphasenFeststoffmischen Fest-Fest-VermischenVergleichmäßigen zeitlich konst. EigenschaftenSuspendieren Fest in FlüssigkeitBegasenGas in FlüssigkeitAgglomerierenAnlagern vieler Primärpartikel zu wenigen gröberen Agglomeraten(Klumpen)PelletierenFeuchtagglomerationPressagglomerieren unter Pressdruck (Tablettieren)SinternAnschmelzen d. KontakteKoagulieren Flüssig-flüssigFolien_SMP_0.doc VO Simulation Mechanischer Prozesse (MVT II) Kap. 0 Einleitung Prof. Dr. J. Tomas 31.03.2011

Folie 0.13Prof. Dr. J. Tomas, Lehrstuhl für Mechanische VerfahrenstechnikFest- Eindicken aller Partikel, Klären der FlüssigkeitFlüssig- Sedimentieren AbsetzenTrennung FiltrierenZurückhalten der PartikelTrocknenVerdampfen d. FlüssigkeitStaubabtrennungAbtrennen aller Partikel aus dem TrägergasAbsaugenvon EmissionsquellenAbscheiden aller Partikel aus dem TrägergasThermischBehandelnRöstenBrennenVerbrennenAustreiben flüchtiger PhasenChemische Reaktionen im Feststoff(z.B. Kalkgewinnung)Vergasen organischer PhasenFolien_SMP_0.doc VO Simulation Mechanischer Prozesse (MVT II) Kap. 0 Einleitung Prof. Dr. J. Tomas 31.03.2011

Folie 0.14Prof. Dr. J. Tomas, Lehrstuhl für Mechanische VerfahrenstechnikFolien_SMP_0.doc VO Simulation Mechanischer Prozesse (MVT II) Kap. 0 Einleitung Prof. Dr. J. Tomas 31.03.2011

Folie 0.16Prof. Dr. J. Tomas, Lehrstuhl für Mechanische VerfahrenstechnikFolien_SMP_0.doc VO Simulation Mechanischer Prozesse (MVT II) Kap. 0 Einleitung Prof. Dr. J. Tomas 31.03.2011

Folie 0.17Prof. Dr. J. Tomas, Lehrstuhl für Mechanische VerfahrenstechnikFolien_SMP_0.doc VO Simulation Mechanischer Prozesse (MVT II) Kap. 0 Einleitung Prof. Dr. J. Tomas 31.03.2011

Prof. Dr. J. Tomas, Lehrstuhl für Mechanische VerfahrenstechnikAllgemeines Prozessmodell der Mechanischen Verfahrenstechnik1. Allgemeine Formulierung der Mengenbilanz einer Stoffkomponente:Folie 0.18Akkumulation = ΣEingangsströme - ΣAusgangsströme + Quellen - Senken (1)Folgende physikalische Grundvorgänge sind zu berücksichtigen:• gerichteter Stofftransport (Konvektion)• ungerichteter Stofftransport (Diffusion)• Quellen und Senken: entsprechen dem Auf- und Abbau von Wechselwirkungen zwischenPartikeln, Molekülen, Ionen oder Atomen⇒ Chemische Reaktionen: Auf- und Abbau starker Wechselwirkungen (= Hauptvalenzbindungen:kovalent, ionisch, metallisch), z.B.:Synthese- und Zerfallsreaktionen, Zerkleinern, Kristallisieren und Auflösen;⇒ Auf- und Abbau schwacher Wechselwirkungen (= Nebenvalenzbindungen: Wasserstoffbrücken-,Van-der-Waals- oder elektrostatische Bindungen), z.B.:Erstarren und Schmelzen, Kondensieren und Verdampfen, Adsorbieren und Desorbieren,Koaleszieren und Dispergieren, Agglomerieren und Desintegrieren.2. Diskrete mathematische Formulierung der Mengenbilanz in der Mengenart Masse oderAnzahl einer Partikelgrößen- oder Eigenschaftsklasse i:∂ρ bμ i[ ρ ⋅μ ][b∂t∂ρb⋅ μ∂trv iii]ρbμi v r iD iD gradiG i ∼ μ i . μ j= div[ ρ ⋅μ ⋅ v ] − div D ⋅ grad( ρ ⋅μ )]biri[ib i± GiMassenkonzentration aller Partikel (= Schüttgutdichte) im betrachteten VolumenelementdV, ≡ Feststoffmassenkonzentration in einer Suspensionen c s = m s /dVMassenanteil (= ΔQ 3 (d i )) der i-ten Klasse im betrachteten Volumenelement dVAkkumulation (Speicherung) der i-ten Klasse im Volumenelement dVGeschwindigkeit der Partikel der i-ten Klasse aufgrund eines äußeren Kraftfeldesoder Potentialgefälleskonvektiver (gerichteter) Massenstrom der i-ten Klasse durch das VolumenelementdV=dx . dy . dzDiffusionskoeffizient der i-ten Größen- oder Eigenschaftsklasse(ρbμ i) diffusiver (ungerichteter) Massenstrom der i-ten Klasse durch das VolumenelementdVPartikelwechselwirkungsterm = Stoffumwandlungsgeschwindigkeit ≡ zeitlicheÄnderung der Massenanteile der i-ten und j-ten Klassen im betrachteten VolumenelementdV durch• Aufbau von Partikelwechselwirkungen (Agglomerieren → Kinetik 2. Ordnung)oder• Zerstörung von Partikelwechselwirkungen (Zerteilen: Zerkleinern und Desintegrieren→ Kinetik 1. Ordnung: G i ∼ μ i )(2)Folien_SMP_0.doc VO Simulation Mechanischer Prozesse (MVT II) Kap. 0 Einleitung Prof. Dr. J. Tomas 31.03.2011