Transportvorgänge in der Verfahrenstechnik: Grundlagen und apparative Umsetzungen

876 Pages·2020·45.462 MB·German

by  Matthias Kraume

Matthias Kraume
Transportvorgänge in
der Verfahrenstechnik
Grundlagen und apparative Umsetzungen
3. Auflage
Transportvorgänge in der Verfahrenstechnik
Matthias Kraume
Transportvorgänge in der
Verfahrenstechnik
Grundlagen und apparative Umsetzungen
3. Auflage
Matthias Kraume
Institut für Prozess- und Verfahrenstechnik
Technische Universität Berlin
Berlin, Deutschland
ISBN 978-3-662-60011-5 ISBN 978-3-662-60012-2 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-60012-2
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Dem Anwenden muss das Erkennen vorausgehen
Max Planck
Das Wesen des Lichts. Naturwissenschaften 7
(1919): 903–909
Vorwort der 3. Auflage
Auch in der 3. Auflage verfolgt das Buch das Ziel, die für die Verfahrenstechnik rele-
vanten Transportvorgänge sowohl in den Grundlagen als auch in ihren technischen
Anwendungen darzustellen. Ebenfalls weitergeführt wird das zweistufige Konzept im
ersten Teil des Buches Grundlagen und Methoden als „Handwerkszeug“ bereitzustellen.
Im zweiten Teil wird dieses Wissen dann für das Verständnis und die Auslegung ver-
fahrenstechnischer Maschinen und Apparate eingesetzt.
Eine neue Auflage liefert die willkommene Gelegenheit, eine Reihe von inhaltlichen
Ergänzungen, Klarstellungen und Korrekturen vorzunehmen. Den Anlass zu einer
kontinuierlichen Überarbeitung des Stoffes im Sinne einer präziseren, homogeneren
und damit insgesamt besser verständlichen Darstellung bieten die fortwährenden Dis-
kussionen der Inhalte mit Studierenden sowie deren Feedback. Das inhaltliche Spektrum
dieses Lehrbuchs und Nachschlagewerks bleibt unverändert, die Einbeziehung weiterer
Inhalte hätte schlicht den Rahmen gesprengt. Daher konzentriert sich das Buch wie bis-
her auf fluiddynamische und Stofftransportphänomene. Exemplarisch werden die durch
die Analogie zwischen Energie- und Stofftransport bestehenden Verknüpfungen genutzt,
um auch Aspekte des Energietransports darzustellen.
In sämtlichen Kapiteln erfolgte eine Vielzahl von Veränderungen. Einige Kapitel wur-
den umstrukturiert und übergreifende Zusammenhänge deutlicher betont. Besonderes
Augenmerk galt der Stärkung des Lehrbuchcharakters. Dazu gehören die an jedem
Kapitelanfang gegebenen Erläuterungen der Ziele des Kapitels. Die deutlich erweiterten
Verständnisfragen am Kapitelende gestatten Leserinnen und Lesern die Überprüfung,
inwieweit sie die wesentlichen Inhalte des Kapitels erfasst haben. Zur Abrundung wur-
den auch einige historische Hintergründe aufgenommen.
Die Übungsaufgaben stellen einen Fundus dar, mit dem die Kenntnisse des
zugehörigen Kapitels zur Lösung technisch relevanter Problemstellungen direkt eigen-
ständig umgesetzt werden können und sollen. Die Anwendung der zuvor dargestellten
Kenntnisse und Methoden durch selbstständige Lösung entsprechender Übungsaufgaben
ist für das vertiefte Verständnis der Inhalte dieses Buchs praktisch unverzichtbar. Wegen
der außerordentlichen Bedeutung dieser Aufgaben und ihrer Lösungen wurde ihre
Anzahl erheblich ausgebaut. Zur besseren Orientierung sind die Aufgaben nach ihrem
VII
VIII Vorwort der 3. Auflage
Schwierigkeitsgrad in drei Gruppen von der einfachsten Stufe * bis zur höchsten Stufe
*** eingeteilt. Zusätzlich wurde ein separates Lehrbuch mit dem Untertitel „Aufgaben
und Lösungen“ als Ergänzung im Springer-Verlag veröffentlicht. In diesem finden sich
die ausführlich dargestellten Lösungen aller Übungsaufgaben sowie die Berechnungen
sämtlicher Zahlenwerte, die in Form von MS Excel-Arbeitsblättern per SpringerLink
verfügbar sind. Die kapitelweise in Mappen abgelegten Arbeitsblätter ermöglichen
zusätzlich Parameterstudien, Sensitivitätsanalysen sowie grafische Darstellungen der
Zusammenhänge.
Das Literaturverzeichnis am Ende jedes Kapitels wurde durch die Aufnahme neuer
Publikationen aktualisiert. Neben den Quellen, aus denen Gleichungen, Daten oder sons-
tige Informationen für den Text entnommen wurden, findet sich, separat ausgewiesen,
ergänzende und weiterführende Literatur, die als sinnvolle Ergänzung des vorliegenden
Lehrbuchs herangezogen werden kann.
Ohne die zahlreichen fruchtbaren Diskussionen mit Studierenden wäre diese dritte
Auflage sicherlich nicht entstanden, wofür ich allen Beteiligten danken möchte. Meinen
wissenschaftlichen Mitarbeitern danke ich für die kritische Durchsicht des Texts sowie
die Korrekturen von neuen und alten Fehlern. Vermutlich ist es ein ungeschriebenes
Gesetz, dass unabhängig von der Sorgfalt, mit der Lehrbücher geschrieben werden, sie
nie fehlerfrei sind.
Abschließend aber keinesfalls zuletzt gilt mein Dank meiner Familie. Sie hat mich
beim Schreiben, das erneut weit mehr Zeit und Kraft beanspruchte, als von mir erhofft,
mit großer Nachsicht außerordentlich unterstützt.
Berlin Matthias Kraume
im August 2019
Vorwort zur 1. Auflage
Transportvorgänge spielen eine bedeutende Rolle in verfahrenstechnischen Prozessen,
die in unterschiedlichen stoffumwandelnden Industriezweigen die essenzielle Basis der
Produktherstellung bilden. Entsprechend ihrer Bedeutung werden Transportvorgänge
in einer Reihe exzellenter Lehrbücher behandelt, sodass es notwendig erscheint, die
Erstellung eines weiteren zu erläutern. Viele Bücher geben einen tiefen, theoretischen
Überblick über das Gebiet, wobei die technischen Umsetzungen weniger im Vorder-
grund stehen. Dies ist der klassische Zuschnitt für die Spezialisten, deren „Handwerks-
zeug“ auf diese Weise grundlegend aufbereitet wird. Bei der überwiegenden Zahl der
Ingenieurinnen und Ingenieure weist die heutige Entwicklung ihrer Tätigkeitsfelder
allerdings weg von der Spezialisierung hin zu einer mehr generalistischen Ausrichtung.
Dieser Personenkreis bedarf vor allem einer grundsätzlichen Lösungskompetenz zur
Bewältigung der spezifischen Aufgaben ihres beruflichen Alltags. An diesen Bedürf-
nissen orientiert sich die Konzeption des vorliegenden Buchs. Dabei umfasst die Ziel-
gruppe alle in stoffumwandelnden Industriezweigen tätigen Fachdisziplinen. Ingenieure
der Verfahrenstechnik, der Umwelt- und Energietechnik, des Maschinenbaus, der
Lebensmitteltechnik und der Biotechnologie sollen ebenso wie technische Chemi-
ker und Physiker angesprochen werden. Natürlich sind auch die Studierenden der ent-
sprechenden Fachrichtungen einbezogen, schließlich entstand diese Zusammenstellung
aus einer Hauptstudiumsvorlesung. Das Buch richtet sich als Einführung und Nach-
schlagewerk an all diejenigen, die sich in ihrer beruflichen Praxis immer wieder mit
Transportvorgängen beschäftigen.
Den inhaltlichen Schwerpunkt bilden Stofftransportvorgänge. Kriterien für die Aus-
wahl der Inhalte waren einerseits deren technische Relevanz sowie andererseits ihre
Bedeutung als Grundlage für weitergehende Anwendungen. Das Konzept des Buchs
zielt darauf, beim Leser die Fähigkeit zu entwickeln, eigenständig diejenigen Probleme
lösen zu können, die innerhalb der beruflichen Tätigkeit auftreten und für die keine
„Standardlösung“ verfügbar ist. An den Anfang sind daher grundlegende Darstellungen
sowie eine Reihe elementarer einphasiger Anwendungen gestellt. Hieran schließen sich
die Beschreibungen der in unterschiedlichen technischen Umsetzungen auftretenden
komplexeren Zusammenhänge an. Dabei steht nicht allein das methodische Wissen im
IX
X Vorwort zur 1. Auflage
Vordergrund. Vielmehr werden die verwickelten Vorgänge analysiert, um sie anschlie-
ßend unter Verwendung vereinfachender Überlegungen auf elementare und mathema-
tisch einfacher zu behandelnde Zusammenhänge zurückzuführen. Auf diese Weise soll
auch die grundsätzliche Strategie bei der Behandlung verfahrenstechnischer Problem-
stellungen verdeutlicht werden. Zur weiteren Stärkung der Methoden- und Lösungs-
kompetenz dienen die in größerer Zahl integrierten Übungsaufgaben, an denen die
Erarbeitung von Lösungen trainiert werden kann. Die ausgearbeiteten Lösungen der
Aufgaben sind im Internet auf der Homepage meiner Arbeitsgruppe (www.tu-berlin.
de/~ivtfg1/) verfügbar. Die zitierten Veröffentlichungen sind in ihrer Anzahl bewusst
stark konzentriert. Neben den genutzten Quellen sind lediglich einige wenige Literatur-
stellen angegeben, in denen neben einer zusammenfassenden Behandlung der Inhalte des
jeweiligen Kapitels auch ein weitergehender Überblick über die Spezialliteratur zu fin-
den ist.
Auch wenn Lehrbücher von einem Einzelnen geschrieben werden sollten, um für
eine einheitliche Darstellung zu sorgen, so sind doch wesentlich mehr Personen daran
beteiligt. Diesen allen will ich spätestens an dieser Stelle meinen herzlichen Dank aus-
sprechen. Bei einigen möchte ich dies in besonderem Maß tun. In vielen intensiven und
engagierten Diskussionen wurden über viele Jahre von den Studierenden argumentative
Schwächen identifiziert und z. T. gemeinsam mit ihnen verständlichere Darstellungen
erarbeitet.
Folgende meiner derzeitigen und ehemaligen wissenschaftlichen Mitarbeiter haben
inhaltliche Impulse gegeben, die einzelnen Kapitel kritisch gesichtet sowie an der Aus-
wahl der Übungsaufgaben einschließlich ihrer Lösungen maßgeblich mitgearbeitet:
Christian Adam, Robert Angst, Anja Drews, Patrick Mier, Dr. Anja Paschedag, Alexan-
der Pawelski, Dr. Joachim Ritter, Dr. Sandra Rosenberger, Kai Schulze. Für die kritische
Durchsicht einzelner Kapitel bedanke ich mich im besonderen Maß bei folgenden Kol-
legen der Technischen Universität Berlin: Professor Wolfgang Arlt (Kap. 6), Professor
Hein Auracher (Kap. 10 und 15) und Professor Günter Wozny (Kap. 16 und 17). Glei-
cher Dank geht an Dr. Peter Zehner/Ludwigshafen für seine substanziellen Hinweise zu
den Kap. 18 und 19.
Einen ganz besonderen Dank schulde ich Christine Heimerl-Rötsch, die bei der
Erstellung des Manuskripts stets größte Sorgfalt und Eigenständigkeit an den Tag legte.
Darüber hinaus erledigte sie in den langen Jahren immer wieder geduldigst und freund-
lichst meine mehr oder minder wichtigen Änderungen und entwickelte dabei noch
höchste graphologische Fähigkeiten.
Trotz aller Hilfen liegen selbstverständlich sämtliche Unzulänglichkeiten ausschließ-
lich in der Verantwortung des Autors.
Berlin Matthias Kraume
im Juni 2003
Inhaltsverzeichnis
Teil I Grundlagen und Methoden
1 Grundlagen der Transportprozesse ................................. 3
1.1 Molekulare Transportvorgänge ............................... 4
1.1.1 Molekularer Impulstransport (innere Reibung
von Fluiden) ...................................... 7
1.1.2 Molekularer Energietransport (Wärmeleitung) ........... 9
1.1.3 Molekularer Stofftransport (Diffusion) ................. 10
1.2 Molekulare Transport- und Ausgleichskoeffizienten ............... 13
1.2.1 Viskosität ........................................ 13
1.2.2 Wärmeleitfähigkeit ................................. 21
1.2.3 Diffusionskoeffizienten ............................. 22
1.3 Konvektive Transportvorgänge ............................... 25
1.3.1 Konvektiver Impulstransport ......................... 25
1.3.2 Konvektiver Energietransport ......................... 26
1.3.3 Konvektiver Stofftransport ........................... 28
1.4 Turbulente Transportvorgänge ................................ 28
1.5 Bilanzgleichungen ......................................... 32
1.5.1 Differenzielle Bilanzgleichungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.5.2 Integrale Bilanzgleichungen ......................... 40
1.5.3 Anfangs- und Randbedingungen ...................... 46
1.6 Umwandlungsvorgänge ..................................... 47
1.6.1 Stoffumwandlung .................................. 47
1.6.2 Energieumwandlung ............................... 52
1.6.3 Impulsänderung ................................... 53
1.7 Konvektiver Wärme- und Stoffübergang ........................ 53
1.8 Phasengleichgewichte ...................................... 58
1.8.1 Gas/Flüssigkeits-Gleichgewichte ...................... 59
1.8.2 Flüssig/flüssig-Gleichgewichte ....................... 61
1.8.3 Fest/flüssig-Gleichgewichte .......................... 62
XI