Transcript Mechanische Verfahrenstechnik und ihre

Mechanische
Verfahrenstechnik und ihre
Gesetzmäßigkeiten
Walter Müller
ISBN: 978-3-11-034344-1
© 2014 Oldenbourg Wissenschaftsverlag GmbH
Abbildungsübersicht / List of Figures
Tabellenübersicht / List of Tables
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Abb. 1.1: Verfahrensschritte in einem typischen Prozess
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Abb. 1.2: Mechanische Verfahren innerhalb der Verfahrenstechnik
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Tab. 2.1: Beispiele für disperse Systeme
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Abb. 2.1: Problematik bei der Durchmesserbestimmung
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Tab. 2.2: Gebräuchliche Äquivalentdurchmesser
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Abb. 2.2: Vergleich einiger Äquivalentdurchmesser
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Tab. 2.3: Formfaktoren für einige Partikelformen
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Abb. 2.3: Durchgangssummenkurve (Qr) und Rückstandssummenkurve (1 – Qr)
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Abb. 2.4: Verteilungsdichtekurve
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Tab. 2.4: Mengenarten
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Abb. 2.5: Standardverteilungen
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Abb. 2.6: Zusammenstellung der Verfahren zur Partikelgrößenanalyse
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Abb. 2-E1 Probenahme in ruhenden Schüttungen
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Abb. 2-E2 Probenteilung
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Abb. 2.7: Flächengleicher Kreis bei der Bildanalyse
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Abb. 2.8: On-line-Partikelanalyse in der Produktion
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Abb. 2.9: Streulichtzähler
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Abb. 2.10: Prinzip des Laserbeugungsspektrometers
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Abb. 2.11: Prinzip des Coulter Counter® (Fa. Coulter Electronics)
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Abb. 2.12: Siebturm für die Analysensiebung
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Abb. 2.13: Sichtanalyse (Fliehkraft-Gegenstromprinzip)
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Abb. 2.14: Sedimentationsanalyse im Schwerkraftfeld
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Abb. 2.15: Gemessene Oberflächen bei Permeations- (links) und Gasadsorptionsverfahren (rechts)
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Abb. 3.1: Materialbilanzierung bei einem kontinuierlichen Prozess
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Tab. 3.1: Formelbuchstaben und Indizes
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Abb. 3.2: Bilanzierung von Trenn- und Mischvorgängen
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Abb. 3.3: Bilanzierung eines mechanischen Abscheidevorgangs
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Abb. 3.4: Ideale Trennung im Verteilungsdiagramm
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Abb. 3.5: Reale Trennung im Verteilungsdiagramm
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Abb. 3.6: Ideale Teilung im Verteilungsdiagramm
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Abb. 3.7: Verteilungsdiagramm (oben) und Trenngradkurve (unten)
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Abb. 3.8: Trennung, Teilung und Trennschärfe im Trenngraddiagramm
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Abb. 3.9: Anfangsstreuung in Abhängigkeit vom Erwartungswert (Mischungszusammensetzung)
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Abb. 3.10: Definition von Homogenität
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Abb. 3.11: Bestimmung der Homogenisierzeit θ
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Abb. 4.1: Kräftegleichgewicht an einer Partikel im Schwerefeld
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Abb. 4-E1: Strömungsbilder bei der Umströmung einer Kugel
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Abb. 4-E2: Überlagerung von Reibungs- und Druckwiderstand
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Abb. 4.2: Widerstandsbeiwert von Kugeln als Funktion der Reynoldszahl (nach [6])
Kurve a: tatsächlicher Verlauf
Kurve b: Kaskas-Gleichung (4.10)
Kurve c: Stokes-Gleichung (4.8)
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Abb. 4-E3: Geschwindigkeitsfelder in laminarer und turbulenter Strömung
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Abb. 4-E4: Strömungsprofile bei laminarer und turbulenter Grenzschicht
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Abb. 4.3: Blasen- und Tropfenformen
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Abb. 4.4: Modell eines Ölabscheiders
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Abb. 4.5: Modell eines Sedimenters
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Abb. 4.6: Lamellenklärer
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Abb. 4.7: Geschwindigkeitsverhältnis als Funktion des Feststoffvolumenanteils (nach [6])
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Abb. 4.8: Modell eines Windsichters
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Abb. 4.9: Modell einer Staubkammer
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Abb. 4.10: Aufstromklassierer
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Abb. 4.11: Kräftegleichgewicht im Zentrifugalfeld
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Abb. 4.12: Radialgeschwindigkeit und Umfangsgeschwindigkeit
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Abb. 4.13: Erzeugung von Umfangsgeschwindigkeitsfeldern
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Abb. 4.14: Abhängigkeit der Radialgeschwindigkeit vom Radius
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Abb. 4.15: Überlagerung von Potential- und Senkenströmung
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Abb. 4.16: Verhältnisse in einer Überlaufzentrifuge
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Abb. 4.17: Bauarten von Vollmantelzentrifugen
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Abb. 4.18: Strömung in einem Zyklon
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Abb. 4.19: Partikelbahnen in einer Zyklonebene
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Abb. 4.20: Ermittlung der Wirbelstärke am Zykloneintritt
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Abb. 4.21: Bestimmung der optimalen Gasgeschwindigkeit
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Abb. 4.22: Strömung in einem Hydrozyklon
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Abb. 4.23: Verhinderung des Mitreißens von Tropfen durch eine Schürze
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Abb. 4.24: Stabkorbsichter
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Abb. 4.25: Trennkorndurchmesser in einem Abweiseradsichter
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Abb. 4.26: Bauarten von Elektroentstaubern
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Abb. 4.27: Abscheideprinzip in einem Elektroentstauber
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Abb. 4.28: Bahnkurven der Partikeln in einem Plattenentstauber
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Abb. 4.29: Bahnkurven in einem Röhrenentstauber
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Abb. 4.30: Theoretische Bahnkurven in Abhängigkeit vom Eintrittsradius (nach [6])
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Abb. 4.31: Modell zur Herleitung der Deutsch-Formel
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Abb. 5.1: Unterschiedliche Partikelschichten
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Abb. 5.2: Typische Partikelformen in Schüttungen
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Abb. 5.3: Unterschiedliche Porositäten bei feinen Partikeln (links) und breiten Verteilungen (rechts)
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Abb. 5-E1 Bestimmung von Widerstandsbeiwerten
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Abb. 5-E2 Typischer Verlauf des Widerstandsbeiwertes
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Abb. 5.4: Herleitung des hydraulischen Durchmessers bei Schüttungen
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Abb. 5-E3 Herleitung des hydraulischen Durchmesses bei nicht-kreisförmigen Querschnitten
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Abb. 5.5: Modell der Kuchenfiltration
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Abb. 5.6: Druckdifferenz in Abhängigkeit von der Filtrationszeit bei konstantem Volumenstrom
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Abb. 5.7: Filtratvolumen in Abhängigkeit von der Filtrationszeit bei konstanter Druckdifferenz
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Abb. 5.8: Aufbau einer Rahmenfilterpresse
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Abb. 5.9: Zusammenpressen und Entleeren des Plattenpakets
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Abb. 5.10: Filtratanfall bei mehreren Filtrationsphasen mit Totzeiten
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Abb. 5.11: Gegenüberstellung von Druck- und Vakuumfiltration
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Abb. 5.12: Bauarten kontinuierlicher Vakuumfilter
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Abb. 5.13: Bandfilter mit dreistufiger Gegenstromwäsche
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Abb. 5.14: Kuchenwachstum auf einem Bandfilter
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Abb. 5.15: Aufbau eines Vakuum-Trommelfilters
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Abb. 5.16: Schälzentrifuge
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Abb. 5.17: Rechenmodell für eine Filterzentrifuge
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Abb. 5.18: Filterprinzipien bei Staubfiltern
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Abb. 5.19: Periodischer Abreinigungsbetrieb eines Staubfilters
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Abb. 5.20: Filterschlauch und Filtertasche
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Abb. 5.21: Zustände einer Wirbelschicht bei verschiedenen Anströmgeschwindigkeiten
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Abb. 5.22: Reynoldszahl am Lockerungspunkt in Abhängigkeit von der Ar-Zahl (nach [6])
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Abb. 5.23: Aufbau von Druck- und Saugförderanlagen
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Abb. 5.24: Förderzustände bei pneumatischer Feststoffförderung
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Abb. 5.25: Zustandsdiagramm einer pneumatischen Förderanlage
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Abb. 5.26: Druckverhältnisse in einem Schüttgutpfropfen
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Abb. 5-E4 Spannungsverlauf in einem Feststoffsilo
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Abb. 5.27: Nebenluftsysteme
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Abb. 5.28: Auslegungsparameter für verschiedene Feststoffe in Abhängigkeit von der Froude-Zahl
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Abb. 6.1: Gitterbindungen in Festkörpern
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Abb. 6.2: Spannungs-Dehnungs-Kurve für verschiedene Materialien
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Abb. 6-E1 Zerkleinern unterschiedlicher Stoffe
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Abb. 6.3: Modell zur Rissausbreitung
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Abb. 6.4: Spezifische Zerkleinerungsarbeit in Abhängigkeit von der Korngröße
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Abb. 6.5: Beanspruchungsarten von Einzelkörnern
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Abb. 6.6: Beanspruchungsarten bei Druckzerkleinerung
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Abb. 6.7: Bruchbild bei Druckbeanspruchung eines kugelförmigen Korns
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Abb. 6.8: Prinzip eines Backenbrechers
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Abb. 6.9: Berechnung des maximalen Öffnungswinkels beim Backenbrecher
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114
Abb. 6.10: Prinzip eines Kegelbrechers
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115
Abb. 6.11: Prinzip einer Walzenmühle
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116
Abb. 6.12: Walzenbrecher und Walzenmühlen
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Abb. 6.13: Prinzip einer Wälzmühle
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118
Abb. 6.14: Maschinen zur Schlagzerkleinerung
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119
Abb. 6.15: Bewegungszustände in Mahlkörpermühlen
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120
Abb. 6.16: Bestimmung des Schwerpunktes der Mahlkörperfüllung
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121
Abb. 6.17: Bruchbild bei Prallbeanspruchung eines kugelförmigen Korns
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122
Abb. 6.18: Vergleich der Kornverteilungen bei Druck- und Prallzerkleinerung
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123
Abb. 6.19: Bruchbild bei der Prallbeanspruchung nicht-spröder Materialien
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Abb. 6.20: Prinzip eines Hammerbrechers
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125
Abb. 6.21: Stiftmühle
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126
Abb. 6.22: Prinzip einer Strahlmühle
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127
Abb. 6.23: Kornbeanspruchung bei Schneidzerkleinerung
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128
Abb. 6.24: Prinzip einer Schneidmühle
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129
Abb. 6-E2 Modell zur Bestimmung der Oberflächenspannung
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130
Abb. 6.25: Bereiche des Strahlzerfalls bei der Bildung von Tropfen
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131
Abb. 6.26: Bildung von Tropfen durch Lamellenzerfall
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132
Abb. 6.27: Zerstäuberdüsen
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133
Abb. 6.28: Zweistoffdüse
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134
Abb. 6.29: Hohlkegeldüsen
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135
Abb. 6.30: Fliehkraftzerstäubung
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136
Abb. 6.31: Tropfenaufbruch in laminarer Strömung
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137
Abb. 6.32: Kritische laminare Weberzahl in Abhängigkeit vom Viskositätsverhältnis (nach [28])
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138
Abb. 6.33: Wirkungsweise von Emulgatoren
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139
Abb. 6.34: Zahnscheibenrührer
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140
Abb. 6.35: Kolloidmühle
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141
Abb. 6.36: Zahnkranz-Homogenisator
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142
Abb. 6.37: Hochdruck-Homogenisator
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143
Abb. 6.38: Mechanismen und Verfahren der Agglomeration
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144
Abb. 6.39: Bandsinterapparat
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145
Abb. 6.40: Aufbauagglomeration
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146
Abb. 6.41: Granulation in der Wirbelschicht
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147
Abb. 6.42: Bindungskräfte durch Flüssigkeitsbrücken
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148
Abb. 6-E3 Benetzung von Oberflächen durch Flüssigkeiten
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149
Abb. 6.43: Haftkräfte in Agglomeraten abhängig von ihrer Sättigung mit Flüssigkeit
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150
Abb. 6-E4 Bestimmung der kapillaren Steighöhe
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151
Abb. 6.44: Granulieren im Rollbett
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152
Abb. 6.45: Granulierkreislauf mit Rezirkulation von Über- und Unterkorn
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153
Abb. 6.46: Granulieren in der Wirbelschicht
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Abb. 6.47: Haftkräfte in Abhängigkeit vom Partikelabstand
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Abb. 6.48: Maschinen zur Pressagglomeration
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156
Abb. 7.1: Überblick über die Mischtechnik
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Abb. 7.2: Idealisierter Homogenisiervorgang
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Abb. 7.3: Homogenisiermechanismen
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Abb. 7-E1 Stofftransport durch Diffusion
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Abb. 7.4: Prinzip des Multiflux-Mischers
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Abb. 7.5: Turbulenzsteigernde Einbauten in Rohrleitungen
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Abb. 7.6: Primärströmung in Rührbehältern
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Abb. 7.7: Lokale Energieverteilung bei verschiedenen Rührorganen (nach [29])
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Abb. 7.8: Auswahl und Kennwerte gebräuchlicher Rührertypen
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Tab. 7.1: Einflussgrößen beim Homogenisieren im Rührgefäß
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Tab. 7-T1: Einflussgrößen für den Strömungszustand in Fluiden
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Abb. 7.9: Leistungscharakteristik eines Rührers
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Abb. 7-E2 Oberflächenformen in Zentrifugen (links) und Rührgefäßen (rechts)
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Abb. 7.10: Leistungscharakteristika verschiedener Rührertypen
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Abb. 7.11: Mischzeit- oder Homogenisiercharakteristik
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Abb. 7.12: Optimierungsdiagramm zur Homogenisierung (nach Zlokarnik [35])
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Abb. 7.13: Suspendierzustände im Rührgefäß
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Abb. 7.14: Zustände bei der Begasung im Rührgefäß (nach [29])
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Abb. 7.15: Überflutungscharakteristik beim Begasen durch Rührer
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Abb. 7.16: Sorptionscharakteristik
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Abb. 7.17: Koaxiale Rühranordnung
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Abb. 7.18: Typische Größenordnungen bei der Maßstabsübertragung
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Abb. 7.19: Penney-Diagramm
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Abb. 7.20: Verlauf von Mischung und Entmischung bei körnigen Feststoffen
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Abb. 7.21: Bauarten von Feststoffmischern
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Abb. 7.22: Bauarten von Silomischern
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Abb. 7.23: Pneumatische Silomischer
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Abb. 7.24: Drehprobenteiler
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Abb. 7.25: Vergleichmäßigung in einer Siloanlage
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Abb. 7.26: Vergleichmäßigung bei Feststoffhalden
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