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4. Gleichgewicht 平衡 ∘ Temperaturen der Medien (Wärmeübertragung) 媒介温度（热量传递） 逆流 并行流 k A T Q m Tm : Triebkraft = Abweichung vom Gleichgewicht 推动力 = 平衡之差 ∘ Dampf-Flüssigkeitsgleichgewicht (Destillation/Rektifikation): 蒸汽-液相平衡 Ebulliometer nach SWIETOSLAWSKI: 沸点测定 Laboranlage Schema Reiner Stoff: 纯物质 Beispiel Wasser Dampfdruck-Diagramm, Wasser 蒸汽压图 Siedediagramm tV =f(x', x'') THIELE/MC CABE-Diagramm, x''=f(x') allgemein 沸点图 Zweistoffgemisch: 两混合物 ∘ MOLLIER-Diagramm, Konvektionstrocknung 对流干燥 ∘ Dreiecksdiagramm, Solventextraktion 萃取 A primäres Lösungsmittel 一次溶剂 B Übergangskomponente 过渡成分 C sekundäres Lösungsmittel 二次溶剂 Einstufiger Trockner hfL Y" 0 1 2 Enthalpie der feuchten Luft, J/(kgtL) absolute Luftfeuchte, kgw/kgtL Frischluft Heißluft Abluft Theoretische Stufe F E R M Einspeisgemisch 加料 Extrakt 提取 Raffinat 萃余 Mischungspunkt 5. Projekte项目 5.1. Entwicklung einer Baureihe von Konvektionstrocknern für die kontinuierliche Klärschlammtrocknung (Forschungsauftrag 1995 - 1997) 干燥机 - Bandtrockner: a: b: c: e: f: Nassgut 湿物料 Gutsaustritt 出口 Lufteintritt 进空气 Förderbänder 传输 Heizung 加热器 - Aufgabe: Dimensionierung von vier Baugrößen für 100 bis 500 kg/h Klärschlamm. - Vorgehensweise: -- Weiterentwicklung der theoretischen Grundlagen: Ablaufplan 实施过程 - Versuchsstände 实验装置 Laborversuchsstand 实验室装置 Kleintechnischer Bandtrockner 中试设备 - Messergebnisse: 测试结果 Normierte Trocknungsverlaufskurven. Lufttemperaturen: A: 70 °C B: 65 °C - Ergebnisse: 结果 Bandbreite: 干燥带宽 Bandgeschwindigkeit : 速度 Heißlufttemperatur: 热气温 Frischluftverbrauch: 耗空气 Wärmeleistung: 热量 Trocknerlänge: 干燥机长 1,2 m 0,2 m/min 95 °C 3800 bis 16600 kg/h 70 bis 310 kW 11,4 bis 44,7 m 5.2. Optimierung von Trocknungsanlagen für die Klärschlammtrocknung (Forschungsauftrag 1998 - 2000) 干燥机优化 Situation: - Erforderliche Heizwerte des Klärschlammes: 7 MJ/kg selbständige Verbrennung 10 MJ/kg energetische Nutzung - Klärschlammes nach mechanischer Wasserabtrennung: 4 bis 6 MJ/kg bei 35 % TS-Gehalt - Klebrige Leimphase des Klärschlammes: 40 bis 60 % TS-Gehalt - Kostenoptimierung zwischen Festkosten (Apparatekosten) und variable Kosten (Energiekosten) Lösung: - Klärschlammtrocknung mit Trockenschlammrückführung und Mischer: Rückführrate 35 % 污泥加料 废气 空气 干燥了的污泥 5.3.Lösungsmöglichkeiten zur Entfernung von Methanal (Formaldehyd) aus Motorenabgasen (Forschungsauftrag 2009) 从发动机尾气中消除甲醛 - In der Abwasserreinigungsanlage einer Papierfabrik werden ca. 16.000 mN³/d Biogas produziert. 造纸厂污水处理产生沼气。 Daraus entstehen: 可产生 ∘ elektrische Leistung: 电力 2 MW ∘ thermische Leistung: 热量5,21 MW ∘ Abgas:废气 16.000 mN³/d mit 100 mg/m³ Methanal 甲醛含量 (Grenzwert < 40 mg/m³) - Prinzipielle Reinigungsverfahren: 净化原理 ∘ Thermische und katalytische Oxidation (Verbrennung) 热力或催化氧化 ∘ Absorption/Abgaswäsche 收/洗气 (gewähltes Verfahren) ∘ Adsorption 吸附 ∘ biologische Abbauverfahren 生物分解工艺 - Absorption/Abgaswäsche 吸收/洗气 ∘ Schema einer kompletten Rückgewinnungsanlage für dampfförmige Lösungsmittel - Dimensionierung der Filmkolonne: 薄膜塔选型 -- Durchmesser: Kontinuitätsgleichung für die Gasphase im Arbeitspunkt: 塔径 dK AG 4m w AG,AP AG dK wAG,AP Kolonnendurchmesser, m Massenstrom Abgas, kg/s Gasgeschwindigkeit im Arbeitspunkt auf den freien Kolonnenquerschnitt bezogen, m/s ∘ Gasgeschwindigkeit im Arbeitspunkt sollte 80 % von der Geschwindigkeit im Inversionspunkt (Flutungspunkt) betragen. w AG,AP 0,8 w AG wAG Gasgeschwindigkeit im Inversionspunkt auf den freienKolonnenquerschnitt bezogen, m/s ∘ Gleichung für die Gasgeschwindigkeit am Inversionspunkt wAG nach PLANOWSKI und KAFAROW: m 3,02 w 2AG a FK AG W0,16 0,022 1,75 W lg AG g v FK W m aFK vFK - Ergebnisse mit Mathcad 8.0: ⋅ Gasgeschwindigkeit am Inversionspunkt (auf den freien Querschnitt bezogen): ⋅ Gasgeschwindigkeit am Arbeitspunkt (auf den freien Querschnitt bezogen): ⋅ Kolonnendurchmesser: AG W 0,5 0,25 Massenstrom Waschwasser, kg/s spezifische Oberfläche der Füllkörperschüttung, m²/m³ freies Volumen der FüllkörperSchüttung, m³/m³ wAG = 2,55 m/s wAG,AP = 2,04 m/s dK = 1,3 m -- Höhe der Füllkörperschüttungen 填料塔高度 H nthhäq H nth häq Höher der Kolonne, m Theoretische Stufenzahl , Äquivalente Höhe der Stufen, m KAFAROW: w h äq 19,3 AG AG AG 0,2 m 1,2 a FK v FK AG W m 0,342 a aFK vFK W AG 0,19 AG W 0,038 AG m W am W am 1 AG m ln Anstieg der Gleichgewichtsfunktion, Oberfläche der Füllkörper, m²/m³ Freies Volumen der Füllkörper, m³/m³ - Ergebnisse : ⋅ theoretische Stufenzahl: 理论塔板数 nth = 12 ⋅ äquivalente Höhe einer Trennstufe: 分离高度 häq = 1,03 m ⋅ Höhe der Kolonne (der gesamten Schüttungen ohne Boden- und Kopfraum): 塔高 H = 12,32 m 5.4. Trocknungsuntersuchungen von Keramikelementen nach einer in situ-Wäsche (Forschungsauftrag 2010 - 2012) 陶瓷元件干燥 Katalytische Abgasreinigung von Kraftwerksabgasen (Entstickung): 脱销催化剂 Wabenkatalysator-Stücke aus Keramik 蜂窝催化剂-陶瓷件 6 NO2 + 8 NH3 → 7 N2 + 12 H2O SCR-Reaktor Drei Lagen: 6048 x 3 = 18114 Elemente Element: 900 mm x 150 mm x 150 mm - Situation: Ein Kraftwerk plant diese Katalysatoren im Reaktor zu waschen. - Auftrag: · Wasseraufnahmevermögen (50 t Wasser) · Hygroskopischen Verhaltens (Gleichgewichtfeuchte) 吸湿含水 · Trocknungsverhalten - Lösung: Messung der Trocknungsverlaufskurven ∘ Labor-Konvektionstrockner: ∘ Mathematisches Modell für die Trocknungszeit ,“Konstanten Luftzustände” :干燥时间数学模型 1. 2. dY ' K1 dt 1 Y ' YG' dY ' K1 ' dt 2 YK YG' ____________________________ t ges tges K1 ' YAnf YK' YK' YG' YK' YG' t1 t 2 ln ' K1 K1 YEnd YG' Trocknungszeit, min kinetische Konstante, 1/min ∘ kinetische Gleichung 动力学式 ' YAnf YK' K1 tK ∘ Prinzipielle Trocknungsverlaufskurve eines hygroskopischen Gutes: 吸湿干燥曲线 1, 2 Y‘Anf K G t Trocknungsabschnitte干燥阶段 Feuchtegehalt des Gutes, kgw/kgTS含水 Knickpunkt 拐点 Gleichgewicht 平衡 Zeit, min ∘ Trocknungsverlaufskurven, l = 300 mm 干燥曲线 weitere Kurven für: 150, 600 und 900 mm ∘ tK als Funktion der Länge l (Mathcad): X=l y = tK Ausgleichsfunktion von 150 bis 900 mm: tK = 0,34466 · l0,8769 + 8,8311 ∘ Maßstabsübertragung auf l = 3 · 900 = 2700 mm: 放大至 Kinetisch Konstante: K1 = 5,761⋅10-4 min-1 Zeit: tK = 333,3 min - Ergebnis bei 40 und bei 20°C: · Trocknungszeit: t = 9,1 und 11,5 h · Trocknungsluftstrom: = 1,052⋅106 m³/h 5.5. Bestimmung von ANTOINE-Konstanten mit einem Ebulliometer (studentische Arbeit) ∘ Gegeben: Zweistoffgemisch Ethanol-2 Butanol: ∘ Grundlagen: - ANTOINE-Gleichung (p < 101,325 kPa): -RAOULT-DALTON´sches Gesetz, Gleichgewichtsfunktion x" = f(x')): PS B lg A 133,3224 C tV y PS Pa x 1 p PS,2 PS,1 PS,2 t V C ANTOINE-Konstanten Ethanol, tV = 78,4 °C: A = 8,65044 B = 1892,02 C = 249,47 ∘ Messwerte: x1' = 0,3448 x1'' = 0,5549 PS1 / kPa tV / °C 100 87,5 90 73,8 80 72 70 69,6 x 1 PS,1 p x 1 ∘ Ergebnisse der ANTOINEKonstanten (Mathcad): 5.6. Beitrag zur verfahrenstechnischen Modellierung von Freistrahlanlagen für die Gewässerbelüftung, 2012, Projekt LÜCKING, LESEGANG und SCHELTWORT (Jade-Hochschule): 水源-曝气工艺 ∘ Freistrahlanlage mit den Hauptelementen Leitrohr, Propeller, Schwimmkörpern: 导管螺旋桨 Modell: Freistrahl als Zylinder, Kegelstumpf, 截头圆锥 ∘ Impulsstrombilanz für das Segment I und für alle folgenden Bilanzgebietet: 区段衡算 I I F F F I 2 ,I G,I A,I İP FPτ FPG FPA mit: Impulsstrom, N Reibungskraft, N Schwerkraft, N Auftriebskraft, N 2 I Impulsstrom 2: 2 wW,2 r2 w 2 2 I Impulsstrom I: I wW,2 rI w I w2 wI Reibungskraft, Mantel: F ,I 2 r2 l kW,2 rI r2 Schwerkraft (senkrecht): FG,I wW,2 r22 l g Auftriebskraft (senkrecht): FA,I kW,2 r22 l g wp r l ∘ Quadratische Gleichung als Lösung: 二次方程式 w I2 Geschwindigkeit, m/s Radius, m Länge, m kW,2 kW,2 kW,2 r22 r22 2 2 r2 l 2 r2 l 2 l g cos I 0 wI w 2 2 w 2 1 2 2 wW,2 rI rI rI r2 rI wW,2 rI r2 rI wW,2 2 2 Ortsvektor: 位置矢量 + 2 a I,x t I,x w t I,x I,x 2 rI + ++ 2 a I,y a I,y t I,y w I,y t I,y 2 + w I,x a I,x t I,x w I + ++ w I,y a I,y a I,y t I,y + a I,x a I + ++ a I,y a I,y ∘ Beispiel 1, Mathcad-Datei: “Modellrechnung Freistrahlanlage 12 30grad-s.mcdx”: ⋅ Elektrische Leistung des Propellers: 2 kW ⋅ Neigungswinkel der Anlage von der Senkrechten, β2: 30 ° ⋅ Leitrohrradius der Anlage r2 : 0,7 m ⋅ Temperatur des Gewässers, Oberfläche: 20 °C 10 m Tiefe: 15 °C ⋅ Flankenwinkel des Freistrahls, Kegelstumpfes, α: 15 ° Zeitkomponenten in x- und in y-Richtung Bahnkurve: nichtisotherm 非等温曲线 ∘ Beispiel 2, Mathcad-Datei: “Modellrechnung ∘ Beispiel 3, Mathcad-Datei: “Modellrechnung Freistrahlanlage 13 30grad-s.mcdx”: Freistrahlanlage 12 60grad-s.mcdx”: ⋅ wie Beispiel 1 aber isotherm ⋅ wie Beispiel 1 aber 60° Bahnkurve 13: isotherm 等温线 Bahnkurve 12: nichtisotherm 非等温线 Bahnkurve12-60: Bahnkurve12-30: Beispiel 1 60 ° zur Senkrechten 30 ° zur Senkrechten 5.7. Untersuchungen zum Absetzverhalten von Flugasche im Rauchgas eines SCR-Reaktors: Bild Prinzip einer Entstickungsanlage in einem Kraftwerk Strömungsablösungen in Bauteilen Flugasche im SCR-Reaktor Lösung: Umlenkbleche - ARCHIMEDES-Zahl: 3 Ar - REYNOLDS-Zahl: laminar: Ar ≤ 3,6 Übergangsgebiet: 3,6 < Ar < 82500 turbulent: Ar ≥ 82500 - Sedimentationsgeschwindigkeit für kugelige Einzelkörner: dFA g FA RG RG Re 2 RG Ar 18 Ar Re 13,875 1 1,4 Re 1,7408 w FA Re RG dFA RG Ar