Scale-up

Modellübertragung in der Verfahrenstechnik

Marko Zlokarnik

• Verlag: Wiley-VCH
• Jahr: 2012
• ISBN drucken: 9783527314225
• eBook-ISBN: 9783527660469
• Auflage: 2
• Thema: Naturwissenschaften
• Thema: Industrielle & technische Chemie

Die Übertragung von Verfahren aus dem Labor- bzw. dem Technikumsmaßstab in den industriellen Maßstab einer Produktionsanlage ist eine der wichtigsten ingenieurstechnischen Aufgaben in der chemischen Industrie. Die einzige zuverlässige Methode dazu basiert auf der Darstellung von Versuchsergebnissen im zutreffenden dimensions-analytischen Raum, der sich als maßstabsinvariant erweist.

Das Buch ist in zwei Teile gegliedert: In der ersten Hälfte werden die theoretischen Grundlagen detailliert vorgestellt, um auch Lesern ohne vertiefte mathematische Vorkenntnisse dieses Themengebiet näherzubringen. Diskutiert werden die Grundlagen der Dimensionsanalyse, die Behandlung von temperaturabhängigen und von rheologischen Stoffwerten und die Modellübertragung bei Nichtverfügbarkeit von Modellstoffsystemen, sowie bei partieller Ähnlichkeit. All dies wird dem Leser anhand von 20 modernen Beispielen aus der heutigen verfahrenstechnischen Praxis illustriert, der sich mit 25 in dieser Auflage neu hinzugekommenen Übungsaufgaben sein Verständnis aktiv erarbeiten und anhand der Lösungen kontrollieren kann.

Im zweitem Teil des Buches werden die einzelnen verfahrenstechnischen Grundoperationen aus den Bereichen mechanische, thermischeu und chemische Verfahrenstechnik aus der Sicht der Dimensionsanalyse und der Modellübertragung beispielhaft behandelt, und es werden fürjede Operation die Maßstabsübertragungsregeln vorgestellt und diskutiert.

Das vorliegende Buch wendet sich dementsprechend an Studenten wie auch bereits auf dem Gebiet tätige Ingenieure, Chemiker und Verfahrenstechniker.

Vorwort zur 1. Auflage

Viele Forschungs- und Dimensionierungsaufgaben, die sich heute dem Verfahrensingenieur stellen, sind so kompliziert, daß sie mit den Mitteln der numerischen Mathematik nicht mehr zu lösen sind. Es genügt, wenn man in diesem Zusammenhang an Vorgänge in Verbindung mit temperaturabhängigen Stoffwerten oder mit nicht-Newtonschen Fluiden erinnert bzw. auf Vorgänge in heterogenen Stoffsystemen hinweist, bei denen z. B. Koaleszenzphänomene oder Schäume oder Schlämme auftreten. Es leuchtet ein, daß Apparate und Anlagen, in denen solche Stoffsysteme behandelt werden, schwierige Dimensionierungsprobleme aufwerfen und oft allenfalls mit Hilfe der partiellen Ähnlichkeit zu übertragen sind.

Es muß festgestellt werden, daß der Hochschulabsolvent in der Regel auf Probleme genannter Art in keiner Weise vorbereitet ist. Einerseits sind die Abhandlungen über die Grundlage der Modellübertragung – die Dimensionsanalyse – sowie über die Ähnlichkeitstheorie und die Modellübertragung in den gängigen Lehrbüchern veraltet und auch sonst nur in den seltensten Fällen so abgefaßt, daß sie diese Methoden popularisieren könnten. Andererseits fehlt es der Hochschule an Motivation für eine Forschungstätigkeit dieser Art, da sie mit Dimensionierungsaufgaben in der Regel nicht konfrontiert wird und ihr daher dazu meist auch die nötigen Apparate im halbtechnischen Maßstab fehlen.

So entsteht der völlig falsche Eindruck, daß die angesprochenen Methoden bestenfalls eine marginale Bedeutung für die verfahrenstechnische Praxis besitzen, da man sie sonst ja im Studium intensiver behandelt hätte!

Das vorliegende Buch versucht diesem Mangel abzuhelfen. Es behandelt die Dimensionsanalyse und die Modellübertragung so, daß sie jedermann auch ohne mathematische Vorkenntnisse sofort und leicht verständlich wird. Dabei wird insbesondere der Behandlung von veränderlichen Stoffwerten (z. B. ihre Temperaturabhängigkeit, Abhängigkeit der Viskosität von der Scherbeanspruchung) viel Raum gegeben. Viele Stoffsysteme in der Biotechnik weisen nämlich ein nicht- Newtonsches Viskositätsverhalten auf, und es sind gerade die biotechnischen Prozesse, die stetig an Bedeutung gewinnen. Bei der Modellübertragung dieser Prozesse in den technischen Maßstab muß neben der geometrischen und prozeßbedingten auch die stoffliche Ähnlichkeit eingehalten werden.

Die theoretischen Grundlagen der Dimensionsanalyse und der Modellübertragung werden auf den ersten hundert Seiten besprochen. Sie werden jeweis unmittelbar an zwanzig Beispielen erläutert, die heute interessierende Fragestellungen behandeln.

Die zweite Hälfte dieses Buches ist jedoch der ganzheitlichen dimensionsanalytischen Behandlung von Problemen aus den Gebieten der mechanischen, thermischen und chemischen Verfahrenstechnik gewidmet; sie umfaßt dreißig Beispiele. Mit dem Begriff „ganzheitlich“ soll angedeutet werden, daß die Dimensionsanalyse stets zu Beginn der Problembehandlung bemüht und befragt wurde, so daß die Durchführung und die Auswertung der Versuche jeweils im Sinne ihrer Voraussagen erfolgten.

Die Auseinandersetzung mit dieser Vorgehensweise wird dem Leser nicht nur eine praktische Anleitung zum eigenen Handeln vermitteln, sondern ihm auch den unerwartet hohen Nutzen dieser Methoden vor Augen führen.

Der praktisch interessierte Leser, der ein konkretes Problem zu lösen hat, aber mit der dimensionsanalytischen Vorgehensweise nicht vertraut ist, muß das Buch keineswegs vollständig durchlesen, um sein Problem behandeln zu können. Es genügt zunächst, sich die ersten 50 Seiten des Buches anzueignen, die die Dimensionsanalyse und die Methodik der Kennzahlgewinnung behandeln. Danach wird es vom Vorteil sein, jenes Anwendungsbeispiel genauer zu betrachten, das der fraglichen Problemstellung am nächsten kommt. Daraufhin sollte man jedoch sofort beherzt das eigene Problem dimensionsanalytisch in Angriff nehmen, denn erst die praktische Auseinandersetzung mit einer eigenen Aufgabe schärft das Verständnis für das Nutzen sowie die Leistungsfähigkeit dieser Methode.

In Laufe meiner 35-jährigen praktischen Beschäftigung mit den ähnlichkeitstheoretischen Arbeitsmethoden war mir mein Freund und Kollege, Herr Dr. Juri Pawlowski, ein unschätzbarer Lehrer und Berater. Ihm verdanke ich unzählige Anregungen und Hinweise, so auch bei der Niederschrift dieses Buches. Dafür möchte ich ihm auch an dieser Stelle meinen herzlichen Dank aussprechen.

Mein aufrichtiger Dank gebührt aber auch meinem ehemaligen Arbeitgeber, der Bayer AG, Leverkusen, in dessen „Ingenieur-Abteilung Angewandte Physik“ ich mein ganzes Berufsleben der verfahrenstechnischen Forschung und Entwicklung widmen konnte und der es stets zuließ, daß ich mich neben den Betriebsaufgaben und der Auftragsforschung in einem beträchtlichen Umfang auch der verfahrenstechnischen Grundlagenforschung zuwenden konnte.

Marko Zlokarnik

Vorwort zur 2. Auflage

Die erste deutsche Auflage dieses Buches (Mai 2000) fand eine überraschend gute Aufnahme und wurde im Verlauf des Jahres 2005 ausverkauft. Meinem Vorschlag, statt eines weiteren Nachdrucks eine Neuauflage folgen zu lassen, ist der Verlag WILEY-VCH gerne nachgekommen, wofür ich den dafür verantwortlichen Damen, Frau Dr. Barbara Böck und Frau Karin Sora, auch an dieser Stelle herzlich danke.

Im Verlauf der letzten fünf Jahre habe ich fast drei Dutzend Seminare zu diesem Thema im Haus der Technik/Essen-Berlin-München, bei der DECHEMA/Frankfurt sowie bei verschiedenen Hochschulinstituten und Firmen im deutschsprachigen Raum gehalten. So konnte ich im Kontakt mit jungen Kollegen erfahren, wo die Schwierigkeiten bei der Rezeption des Themas liegen und wie man ihnen didaktisch begegnen kann. Ich habe mich bemüht, diese Erfahrungen in die Neuauflage einfließen zu lassen.

Folgendes ist gegenüber der ersten Auflage hinzugekommen:

1. Das Kapitel „Veränderliche Stoffwerte“ – insbesondere nicht-Newtonsche Flüssigkeiten – wurde vollständig überarbeitet. Neue Beispiele behandeln die Bruchfestigkeit von Feststoffen als Funktion des Partikeldurchmessers, das Weißenbergsche Phänomen bei viskoelastischen Fluiden sowie Koaleszenzphänomene im System G/L.

2. Die Problematik der Miniplants aus der Sicht der Modellübertragung wurde ausführlicher unter die Lupe genommen.

3. Zwei weitere interessante Beispiele betreffen die Dimensionsanalyse des Tablettierprozesses und das Wandern auf dem Mond.

4. Die Beispiele zum stationären Wärmetransport behandeln neben dem in Blasensäulen noch den in Rohren und in Rührbehältern.

5. Die Informationen zum Stofftransport im System G/L wurden neu strukturiert, damit die Unterschiede in der dimensionsanalytischen Behandlung der Oberflächen- und der Volumenbegasung klarer zutage treten.

6. Ein kurzer geschichtlicher Überblick beschreibt die Entwicklung der Dimensionsanalyse und der Modellübertragung.

7. 25 neue Übungsaufgaben mit Lösungen wurden aufgenommen.

Um den Umfang des Buches nicht über Gebühr zu vergrößern, wurden einige Beispiele aus der ersten Auflage, die seltener auftretende Themen behandelten, nicht in die Neuauflage übernommen.

Meinem Freund und Lehrer, Herrn Dr. Juri Pawlowski, möchte ich auch an dieser Stelle meinen herzlichen Dank für seine Unterstützung bei der Neugestaltung einzelner Kapitel, insbesondere der Abschnitte zur Rheologie, aussprechen.

Graz, im August 2005

Marko Zlokarnik

Symbolverzeichnis

Lateinische Zeichen

a	volumenbezogene Phasengrenzfläche a ≡ A/V
	Temperaturleitfähigkeit; a ≡ λ/( ρ cp)
A	Fläche
c, Δc	Konzentration, Konzentrationsdifferenz
c	Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
cp	Wärmekapazität, massebezogene
cs	Sättigungskonzentration
d	charakteristischer Durchmesser
db	Blasendurchmesser, meist als „Sauter-Durchmesser“ d32 formuliert...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Title Page
• Copyright
• Vorwort zur 1. Auflage
• Vorwort zur 2. Auflage
• Symbolverzeichnis
• 1: Einführung
• 2: Dimensionsanalyse
• 3: Erarbeitung von pi-Sätzen mittels Matrizenumformung
• 4: Maßstabsinvarianz des pi-Raumes - Grundlage der Modellübertragung
• 5: Wichtige Hinweise zur Aufstellung der Relevanzliste des Problems
• 6: Wichtige Aspekte bei der Modellübertragung
• 7: Vorläufige Bestandsaufnahme
• 8: Dimensionsanalytische Behandlung veränderlicher Stoffgrößen
• 9: Reduktion des pi-Raumes
• 10: Typische Probleme und Fehler bei der Anwendung der Dimensionsanalyse
• 11: Optimieren von Prozeßbedingungen durch Kombination von Prozeßcharakteristiken
• 12: Ausgewählte Beispiele der dimensionsanalytischen Behandlung von Prozessen aus dem Gebiet der mechanischen Verfahrenstechnik
• 13: Ausgewählte Beispiele der dimensionsanalytischen Behandlung von Prozessen aus dem Gebiet der thermischen Verfahrenstechnik
• 14: Ausgewählte Beispiele der dimensionsanalytischen Behandlung von Prozessen aus dem Gebiet der chemischen Verfahrenstechnik
• 15: Ausgewählte Beispiele der dimensionsanalytischen Behandlung von Prozessen aus dem Gebiet der belebten Natur
• 16: Kurzer geschichtlicher Überblick zur Dimensionsanalyse und zur Modellübertragung
• 17: Übungen zur Modellübertragung
• 18: Verzeichnis wichtiger benannter Kennzahlen
• 19: Literatur
• Stichwortverzeichnis