Mechanische VerfahrenstechnikHerausgegeben von M. Bohnet

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Mechanische Verfahrenstechnik

Herausgegeben von Matthias Bohnet

Prof. Dr.-Ing. Matthias BohnetTU Braunschweig

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Bibliografische Information

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� 2004 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA,Weinheim

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Satz Typomedia GmbH, Ostfildern

Printed in the Federal Republic of Germany.

Titelbild Partikel in dispersen Systemen(Institut f�r Verfahrenstechnik der Bundesanstaltf�r Ern�hrung, Karlsruhe, W.E.L. Spieß, S. Min)

Verfahrenstechnik

Institut f�r Chemische und Technische

Langer Kamp 7

1. Auflage 2004

38106 Braunschweig

1. Nachdruck 2007

Printing and bookbinding b uch bücher dd ag, Birkach

ISBN 978-3-527-31099-9

der deutschen NationalbibliothekNationalb

Inhalt

H�ufig benutzte Formelzeichen X

Herausgeber und Autoren XV

Vorwort XVII

1 Einf�hrung 1Matthias Bohnet

2 Charakterisierung disperser Systeme 4Reinhard Polke, Bernd Sachweh

2.1 Eigenschaften disperser Systeme 42.1.1 Ziel einer Charakterisierung 42.1.1.1 Eigenschaftsfunktion – Produktmodell 42.1.1.2 Prozessfunktion – Prozessmodell 72.1.1.3 Kontrolle des Prozessumfeldes 112.1.1.4 Modellbildung 112.1.2 Definition der Messaufgaben und Nutzung der Messdaten 122.1.3 Eigenschaften von Einzelpartikeln 132.1.4 Eigenschaften von Partikelkollektiven 202.1.5 Verteilungen und Mittelwerte von Partikeleigenschaften 212.1.6 Mischungszustand und Anordnung 332.1.7 Stabilit�t und Kinetik von dispersen Zust�nden 342.2 Messmethoden f�r Partikeleigenschaften und ihre physikalischen

Grundlagen 362.2.1 Messmethoden f�r Einzelpartikeln 392.2.1.1 Z�hlverfahren zur Ermittlung von Partikelgr�ßen-

verteilungen 392.2.1.2 Haftkraftmessungen 502.2.1.3 Festigkeit von Agglomeraten 512.2.1.4 Porosit�tsmessung 522.2.2 Messmethoden am Partikelkollektiv 53

V

2.2.2.1 Methoden zur Gr�ßenbestimmung 532.2.2.2 Porosit�tsmessung 602.2.2.3 Festigkeitsmessung 612.2.2.4 Integrale Messmethoden 622.2.2.5 Partikelanordnung 652.3 Messmethoden f�r ver�nderliche Zust�nde 662.3.1 Messverfahrenstechnik 672.3.2 Online-Charakterisierung 762.4 Qualit�tssicherung beim Einsatz von Messmethoden 792.5 Ausblick 81

3 Feststoff/Fluid-Str�mungen 843.1 Bewegungen von Feststoffpartikeln in str�menden Fluiden 84

J�rgen Raasch3.1.1 Bewegung einer einzelnen wandfernen Partikel in einer station�ren

laminaren Str�mung 843.1.2 Wandeinfluss 893.1.3 Str�mungswechselwirkung von Partikeln 893.2 Str�mung durch Packungen und Wirbelschichten 90

Otto Molerus3.2.1 Druckverlust bei der Packungsdurchstr�mung 903.2.2 Verfahrensprinzip der Fluidisation, Vor- und Nachteile 923.2.3 Ausdehnungsverhalten der homogenen (Fl�ssigkeits/Feststoff)

Wirbelschicht 933.2.4 Lockerungspunkt (Minimalfluidisation) 943.2.5 Wirbelschicht-Zustandsdiagramm 953.2.6 Sch�ttguttypen 973.2.7 Lokale Struktur der Gas/Feststoff-Wirbelschichten 983.2.8 Technische Anwendungen des Wirbelschichtprinzips 100

4 Mechanische Trennverfahren 1014.1 Kennzeichnung einer Trennung 101

Kurt Leschonski4.2 Abscheiden von Partikeln aus Gasen 1034.2.1 Beurteilung von Abscheidern 104

Friedrich L�ffler4.2.2 Ermittlung des Trenngrades 105

Friedrich L�ffler4.2.3 Zyklonabscheider 106

Matthias Bohnet4.2.3.1 Umfangsgeschwindigkeit 1094.2.3.2 Grenzpartikelgr�ße 1104.2.3.3 Fraktionsabscheidegrad 1114.2.3.4 Gesamtabscheidegrad 1124.2.3.5 Druckverlust 113

InhaltVI

4.2.4 Nassabscheider 114Matthias Bohnet

4.2.4.1 Bauarten von Nassabscheidern 1144.2.4.2 Abscheideleistung 1194.2.5 Filter 120

Eberhard Schmidt4.2.6 Elektrische Abscheider 123

Eberhard Schmidt4.3 Klassieren in Gasen 125

Eberhard Schmidt4.3.1 Verfahrensschritte des Windsichtens 1254.3.2 Gegenstrom-Windsichter 1264.3.2.1 Spiralwindsichter 1274.3.2.2 Abweiseradsichter 1284.4 Abscheiden von Feststoffen aus Fl�ssigkeiten 129

Harald Anlauf4.4.1 Systematik der mechanischen Fest/Fl�ssig-Trennverfahren 1294.4.2 Suspensionsvorbehandlung zur Verbesserung der Trennbarkeit 1314.4.3 Kombinationsschaltungen von Trennapparaten 1324.4.4 Diskontinuierlich und kontinuierlich arbeitende

Trennapparate 1324.4.5 Dichtetrennverfahren 1344.4.5.1 Flotation 1344.4.5.2 Sedimentation 1354.4.6 Filtrationsverfahren 1384.4.6.1 Oberfl�chenfiltration 1384.4.6.2 Tiefenfiltration 1454.4.7 Trennung im elektrischen oder magnetischen Feld 1484.4.8 Kriterien zur Auswahl von Fest/Fl�ssig-Trennapparaten 149

5 Zerkleinern 149Klaus Sch�nert

5.1 Grundlagen 1505.1.1 Partikelbruch 1505.1.2 Zerkleinerungstechnische Partikeleigenschaften 1545.1.2.1 Partikelfestigkeit 1545.1.2.2 Bruchwahrscheinlichkeit 1555.1.2.3 Partikelgr�ßenverteilungen nach Beanspruchung 1565.1.2.4 Bruchanteil und Bruchfunktion 1575.1.2.5 Spr�d-plastischer �bergang 1595.1.3 Mechanische Aktivierung 1605.2 Zerkleinerungsmaschinen 1625.2.1 Brecher 1635.2.2 Mahlk�rperm�hlen 1665.2.3 W�lz- und Walzenm�hlen 172

VIIInhalt

5.2.4 Prallm�hlen 1745.3 Modellierung der Zerkleinerungskinetik 180

6 Agglomerieren 183Helmar Schubert, Stefan Hogekamp

6.1 Physikalische Grundlagen der Agglomeration –Wechselwirkungskr�fte 183

6.1.1 Festk�rperbr�cken 1846.1.2 Grenzfl�chenkr�fte und Kapillardruck an freibeweglichen Fl�ssigkeits-

oberfl�chen (kapillare Haftkr�fte) 1856.1.3 Adh�sions- und Koh�sionskr�fte in nicht freibeweglichen Bindemittel-

br�cken 1866.1.4 Anziehungskr�fte zwischen den Festk�rperteilchen 1876.1.5 Vergleich zwischen Haftkr�ften 1906.1.6 Einfluß von Rauigkeiten auf die Haftkr�fte 1926.1.7 Haftkraftverst�rkung durch Krafteinwirkung 1946.1.8 Haftkr�fte in fl�ssiger Umgebung 1956.1.9 Messung von Haftkr�ften 1966.2 Grundverfahren des Agglomerierens 1986.2.1 Aufbauagglomeration 1986.2.2 Pressagglomeration 2056.2.3 Agglomeration durch Trocknung 2066.2.4 Sintern 2076.3 Eigenschaften von Agglomeraten 2086.3.1 Porosit�t und Porengr�ßenverteilung 2086.3.2 Festigkeit 2096.3.3 Wiederbefeuchtungsverhalten 2106.3.4 Weitere Eigenschaften 213

7 Mischen 213Karl Sommer

7.1 Ablauf von Mischvorg�ngen 2137.2 Mischg�te 2157.2.1 Definition der Mischg�te 2157.2.2 Probengr�ßenabh�ngigkeit der Mischg�te 2157.2.3 Mischg�te bei dispersen Systemen 2167.2.4 Praktische Mischg�teermittlung 2177.3 R�hren 2187.3.1 R�hrkessel, R�hrorgane 2187.3.2 Leistungsbedarf 2187.3.3 Mischzeit 2207.3.4 W�rme�bertragung; Suspendieren und Dispergieren 2217.4 Mischen in Rohrleitungen 2247.5 Mischen von Massen, Teigen und Schmelzen 2247.6 Mechanismen des Pulvermischens 225

VIII Inhalt

7.6.1 Absatzweise Vermischung 2257.6.2 Kontinuierliche Vermischung 2277.6.3 Feststoffmischer 228

8 Lagern von Sch�ttg�tern 230J�rg Schwedes

8.1 Fließverhalten von Sch�ttg�tern 2308.1.1 Fließkriterien 2318.1.2 Verhalten realer Sch�ttg�ter 2328.2 Dimensionierung von Silos 2358.2.1 Probleme, Fließprofile 2358.2.2 Vermeidung von Br�ckenbildung 2368.2.3 Austraghilfen, Austragorgane 2388.2.4 Siloauslegung aus statischer Sicht 239

9 Hydraulischer und pneumatischer Transport 240Otto Molerus

9.1 Hydraulischer Transport 2409.2 Pneumatischer Transport 2419.2.1 Vor- und Nachteile der pneumatischen F�rderung 2419.2.2 F�rderzust�nde 2429.2.3 Station�re F�rderzust�nde im horizontalen Rohr 2449.2.4 Anlagen zur pneumatischen F�rderung 248

10 Literatur 252

Stichwortverzeichnis 263

IXInhalt

H�ufig benutzte Formelzeichen

SymboleA Fl�chen, allgemeinAR Reibungsfl�che ZyklonAP angestr�mte Querschnittsfl�che einer Partikel- bzw.

Partikelprojektionsfl�cheAr Archimedes-Zahla Abstanda Einlaufh�heB BruchfunktionB; b Breite, allgemeinBo Bodenstein-Zahlb Einlaufbreiteb ZentrifugalbeschleunigungCH Hamaker-van-der-Waals-Konstantec KonzentrationcW Widerstandsbeiwert (f�r Widerstand FW)D Durchmesser, allgemeinD Diffusionskoeffizient, allgemeinDh mittlerer hydraulischer DurchmesserDðdÞ � Q3ðdÞ Partikelgr�ßenverteilungsfunktion in der Mengenart Massed PartikeldurchmesserdA fl�chen�quivalenter Kreisdurchmesser der Projektionsfl�che

einer Partikelda Außendurchmesserdi Tauchrohrdurchmesserdmax; do maximale bzw. obere Partikelgr�ße eines Kollektivsdmin; du minimale bzw. untere Partikelgr�ße eines Kollektivsds sinkgeschwindigkeits�quivalenter Kugeldurchmesser einer

PartikeldT GrenzpartikeldurchmesserdZ Zentralwert einer Partikelgr�ßenverteilungE elektrische Feldst�rkeE Elastizit�tsmodulE EnergieF KraftFA statischer AuftriebFC Coulomb-KraftFF FeldkraftFG SchwerkraftFH HaftkraftFN NormalkraftFp DruckkraftFR Reibungskraft

X H�ufig benutzte Formelzeichen

FS Scherkraft

�FTTr�gkeitskraft

FW WiderstandskraftFZ ZentrifugalkraftFr Froude-Zahlff Fließfaktor nach Jenikeffc Fließf�higkeit eines Sch�ttgutes nach Jenikeg SchwerebeschleunigungH;h H�he, allgemeinh H�he Abscheideraumh Plancksche Konstante ðh ¼ 6; 626 � 10�34J sÞhges Gesamth�he Zyklon�h�!! Lifschitz-van-der-Waals-Konstantek Boltzmann-Konstantek Partikelform-KorrekturfaktorL; l L�nge, allgemeinm Masse_mm Massenstrom (Massendurchsatz)_mm Gasmassenstrom_mmse Feststoffmassenstrom im Einlauf_mmsi Feststoffmassenstrom im TauchrohrN Anzahl; PartikelanzahlNe Newton-Zahln Drehzahln PartikelanzahlkonzentrationP Leistungp Druckpk KapillardruckQrðdÞ Partikelgr�ßenverteilungsfunktion in der Mengenart

r ðr ¼ 0: Anzahl; r ¼ 3: Masse bzw: VolumenÞqrðdÞ Partikelgr�ßenverteilungsdichte in der Mengenart rR; r Radius, allgemeinRK FilterkuchenwiderstandRM Filtermittelwiderstand, FiltermediumwiderstandRe Reynolds-Zahlr Probengr�ßer Radiusra Außenradiusra/ri Radienverh�ltnisre Eintrittsradiusrk spezifischer Kuchenwiderstandri TauchrohrradiusS statistische Sicherheits2 Stichprobenvarianz (empirische Varianz)T Temperatur

XIH�ufig benutzte Formelzeichen

Tð�Þ Trennfunktion (Trennkurve)t Quantil der t-Verteilungt ZeitU UmfangU elektrische Spannungu Fluidgeschwindigkeitur Relativgeschwindigkeit zwischen Fluid und

Partikelu Umfangsgeschwindigkeitua Umfangsgeschwindigkeit auf raui Umfangsgeschwindigkeit auf riue Eintrittsgeschwindigkeitutr Tauchrohrgeschwindigkeitur Radialgeschwindigkeituri Radialgeschwindigkeit auf riu0 charakteristische Fluidgeschwindigkeit eines betrachteten

Str�mungsvorgangs bzw. -prozessesV Volumen_VV Volumenstromv Partikelgeschwindigkeitv Variationskoeffizientvs station�re Sinkgeschwindigkeit einer Partikelvs’ station�re Schwarmsinkgeschwindigkeit einer PartikelWe Weber-Zahlz Zentrifugalwert

Griechische Buchstaben� Einschn�rungskoeffizient� Irrtumswahrscheinlichkeit� Neigungswinkel gegen die Horizontale� ¼ b=ra L�ngenverh�ltnis Einlauf� spezifische freie Grenzfl�chenenergie bzw. Grenzfl�chen-

spannung (Der Charakter der Grenzfl�che wird mit Hilfe derIndices s, l und g gekennzeichnet, welche die angrenzendenPhasen bezeichnen.)

_�� Schergeschwindikeit�p Gesamtdruckverlust�p Druckdifferenz; Druckverlust�pe Druckverlust im Abscheideraum�pi Druckverlust Tauchrohr� Film, Lamellen- bzw. Schichtdicke� Benetzungswinkel� Konusneigungswinkel" Porosit�t" Dielektrizit�tszahl (relative Dielektrizit�tskonstante)

XII H�ufig benutzte Formelzeichen

"0 elektrische Feldkonstante ð"0 ¼ 8; 854 � 10�12As=V�1m�1Þ� Widerstandsbeiwert� Zetapotenzial dynamische Viskosit�t dynamische Viskosit�t eines Fluids Fraktionsabscheidegrad WirkungsgradG Gesamtabscheidegrad Neigungswinkel gegen die Vertikale� Kehrwert der Partikelstreuung� Wandreibungskoeffizient reines Gas�s Wandreibungskoeffizient mit Feststoff Konzentrationsparameter Partikelstreuung� Masseanteil� Reibungskoeffizient� 1. Anfangsmoment einer Verteilungsfunktion

(»wahrer« Mittelwert)�e Eintrittsbeladung�G Grenzbeladung�s Massenstromverh�ltnis� kinematische Viskosit�t� Partikelmerkmal (Trenneigenschaft), allgemein�i Druckverlustkoeffizient�ie Druckverlustkoeffizient im Tauchrohr�ii Druckverlustkoeffizient im Abscheideraum�T bzw. �50 Trenngrenze i.e.S. (Trennschnitt) eines Trennprozesses� Dichte�b Sch�ttdichte�F Fluiddichte�p Partikeldichte�S Partikeldichte� Normalspannung�c einaxiale Druckfestigkeit eines Sch�ttgutes�2 Varianz�2Z Varianz der vollst�ndigen Zufallsmischung�Z Zugfestigkeit� Schubspannung� Verweilzeit�c Koh�sion eines Sch�ttgutes� Bruchwahrscheinlichkeit� Neigungswinkel Auslauftrichter’ Volumenanteil’e effektiver (innerer) Reibungswinkel eines Sch�ttgutes’i innerer Reibungswinkel eines Sch�ttgutes

XIIIH�ufig benutzte Formelzeichen

’w Wandreibungswinkel eines Sch�ttgutes, massenbezogenemagnetische Suszeptibilit�t

! Kreisfrequenz! Winkelgeschwindigkeit

Indizes

A Aufgabegut

d disperse Phase

F Faser

F Filter, Filtration

F Fluid

g Gas, gasf�rmig

i Phase, Komponente, Merkmalklasse

K Kuchen

K Kugel

L Luft

m Masse, massenbezogen

m mittlere

O Oberfl�che

P Partikel

r Mengenart bei Partikelverteilung

S Feststoff, fest

T Trennung, Trennschnitt

V Volumen, volumenbezogen

W Wand

z Zentrifugal

Vektorielle Gr�ßen, Tensoren und Matrizen sind im Druck halbfett gekennzeichnet.

XIV H�ufig benutzte Formelzeichen

XV

Herausgeber und Autoren

Herausgeber

Prof. Dr.-Ing. Matthias BohnetTU BraunschweigInstitut f�r Chemische und ThermischeVerfahrenstechnikLanger Kamp 738106 Braunschweig

Autoren

Dr.-Ing. Harald AnlaufUniversit�t KarlsruheInstitut f�r Mechanische Verfahrens-technik und MechanikAm Forum 8, Geb. 30.7076131 Karlsruhe(Kapitel 4.4)

Prof. Dr.-Ing. Matthias BohnetTU BraunschweigInstitut f�r Chemische und ThermischeVerfahrenstechnikLanger Kamp 738106 Braunschweig(Kapitel 1, 4.23, und 4.24)

Dr.-Ing. Stefan HogekampUniversit�t KarlsruheInstitut f�r Lebensmittelverfahrens-technik76128 Karlsruhe(Kapitel 6)

Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h.Kurt Leschonski †ehemals TU ClausthalLehrstuhl f�r Mechanische Verfahrens-technikAdolph-Roemer-Str. 2A38678 Clausthal-Zellerfeld(Kapitel 4.1)

XVI Herausgeber und Autoren

Prof. Dr.-Ing. Friedrich L�ffler †ehemals Universit�t KarlsruheMechanische Verfahrenstechnik undMechanikKaiserstr. 1276131 Karlsruhe(Kapitel 4.21 und 4.22)

Prof. Dr. Otto MolerusUniversit�t Erlangen-N�rnbergLehrstuhl f�r Feststoff- und Grenz-fl�chenverfahrenstechnikCauerstr. 491058 Erlangen(Kapitel 3.2 und 9)

Prof. Dr. Reinhard Polke(ehemals BASF Aktiengesellschaft)Alemannenstr. 967112 Mutterstadt(Kapitel 2)

Dr.-Ing. J�rgen RaaschAm Kirchberg 4376229 Karlsruhe(Kapitel 3.1)

PD Dr.-Ing. habil. Bernd SachwehBASF AktiengesellschaftGCT/ RL 54067056 Ludwigshafen(Kapitel 2)

Prof. Dr.-Ing. habil. Eberhard SchmidtBergische Universit�tGesamthochschule WuppertalFachbereich 14Sicherheitstechnik/UmweltschutzRainer-Gruenter-Str.42097 Wuppertal(Kapitel 4.25, 4.26 und 4.3)

Prof. Dr.-Ing. Klaus Sch�nert(ehemals TU Clausthal)Tannenh�he 438678 Clausthal-Zellerfeld(Kapitel 5)

Prof. Dr.-Ing. habil. Helmar SchubertUniversit�t KarlsruheInstitut f�r Lebensmittelverfahrens-technik76128 Karlsruhe(Kapitel 6)

Prof. Dr.-Ing. J�rg SchwedesTU BraunschweigInstitut f�r Mechanische Verfahrens-technikVolkmaroder Str. 4/538104 Braunschweig(Kapitel 8)

Prof. Dr.-Ing. Karl SommerTU M�nchenLehrstuhl f�r Maschinen- undApparatekunde85350 Freising-Weihenstephan(Kapitel 7)

Vorwort

Die mechanischen Prozesse der stoffwandelnden Industrie zeichnen sich durcheine außergew�hnliche Vielfalt und Komplexit�t aus. Dies liegt daran, dass man esimmer mit dispersen Systemen zu tun hat, bei denen schon die Charakterisierungder beteiligten festen Partikeln ein erhebliches Problem darstellt. Dar�ber hinaussind an fast allen Prozessen mehrphasige Str�mungen beteiligt, in denen feste Par-tikeln in Gasen oder Fl�ssigkeiten bewegt werden.

Die physikalische Beschreibung disperser Systeme hat in den letzten Jahren er-hebliche Fortschritte gemacht. Hierzu hat die Entwicklung neuer Messverfahrenwesentlich beigetragen. Diese erm�glichen es heute, Partikelsysteme, ihre mechani-sche Beanspruchung sowie Mehrphasenstr�mungen sehr genau zu untersuchenund dadurch einen besseren Einblick in die komplizierten Vorg�nge zu gewinnen.Neue Methoden der numerischen Simulation der Partikelbewegung zeigen erfolg-versprechende Wege auf, wie man dieses Werkzeug in Zukunft noch besser f�r dieAnalyse disperser Systeme nutzen kann. Trotzdem bleibt festzustellen, dass f�r dieAuslegung verfahrenstechnischer Prozesse, in vielen F�llen, immer noch das Expe-riment unverzichtbar ist.

Die Autoren dieses Buches haben ihre wissenschaftliche Kompetenz und ihre in-dustrielle Erfahrung in die Behandlung der unterschiedlichsten Prozesse der me-chanischen Verfahrenstechnik eingebracht. Diese Einf�hrung wird dem Leserschnell und zielgerichtet bei seiner Probleml�sung helfen. F�r diejenigen, die tieferin die Materie eindringen m�chten, werden die vielen Literaturhinweise n�tzlichsein.

Dem Verlag Wiley-VCH ist daf�r zu danken, dass er dieses Buch herausgebrachthat. Es wird den in der Industrie T�tigen und den Studierenden den Zugang zu die-sem faszinierenden Gebiet der Verfahrenstechnik erleichtern.

Braunschweig, November 2003 M. Bohnet

XVII