Seminar Scale-up - Maßstabsvergrößerung verfahrenstechnischer Prozesse

Verfahrenstechnische Prozesse leiten sich aus den gewünschten technischen Funktionen und meist standardisierten Grundoperationen ab. Dennoch sind viele Apparate und Maschinen Unikate, die spezifisch dimensioniert und in der Regel im Maßstab vergrößert werden müssen. Die Maßstabsvergrößerung verfahrenstechnischer Prozesse ist wegen der umgekehrt proportionalen Abhängigkeit der spezifischen Oberflächen von der Apparategröße bzw. dem Durchmesser nicht trivial. Maßstabsvergrößerung ist nach wie vor mehr eine Kunst, als ein Handwerk. Wegen der Komplexität des Wärme- und Stofftransports ist eine Maßstabsvergrößerung in der industriellen Praxis häufig nicht auf Basis rigoroser physiko-chemischer Modelle und den daraus abgeleiteten Bilanzgleichungen realisierbar.

Hier kann die Ähnlichkeitstheorie bzw. Dimensionsanalyse einen wichtigen Beitrag leisten. Die aus der Dimensionsanalyse abgeleiteten Kennzahlen und die daraus abgeleiteten Funktionen sind von der Geometrie, den Prozessparametern und von den Stoffwerten unabhängig. An Modellapparaten und mit Hilfe von Modellsubstanzen ermittelte Beziehungen sind im Rahmen der experimentellen Gültigkeitsbereiche beliebig skalierbar. Die wertvollste Information, die für die Maßstabsvergrößerung aus der Dimensionsanalyse ableitbar ist, ist jedoch die Kenntnis, der die dimensionslosen Kenngrößen verbindenden Proportionalitäten. Liegt das Vertrauensintervall einer ähnlichkeitstheoretischen Funktion typischerweise in einem weiten Bereich von ca. 15 - 25 %, sind die Proportionalitäten der in diesen Funktionen verbundenen Kennzahlen durch eine große Anzahl experimenteller Befunde gesichert und sehr verlässlich. Ein Beispiel ist die Proportionalität Nu ∼ Re^0,67 für den Wärmeübergang in Rührwerksbehältern. Auf Basis dieser gesicherten Proportionalitäten können die aus Messungen an Miniplants, Pilotanlagen und Anlagen anderer Kapazitäten gewonnenen Parameter mit großer Genauigkeit umgerechnet bzw. skaliert werden.

Ziel des Seminars ist die Vermittlung der Kompetenz zur Nutzung ähnlichkeitstheoretischer Beziehungen bei der Maßstabsvergrößerung verfahrenstechnischer Apparate und Maschinen. Basis der Maßstabsvergrößerung sind die aus der Ähnlichkeitstheorie bzw. der Dimensionsanalyse abgeleiteten Proportionalitäten. Die Seminarteilnehmer erstellen eine Relevanzliste und entwickeln die entsprechenden dimensionslosen Kennzahlen. Sie wenden ähnlichkeitstheoretische Gleichungen bei der Maßstabsvergrößerung an und nutzen die aus den Kennzahlen und Gleichungen abgeleiteten Proportionalitäten. Die Seminarteilnehmer kennen die Stärken und Schwächen der Maßstabsvergrößerung auf Basis ähnlichkeitstheoretischer Ansätze.

Inhalte
Kontext Prozessentwicklung und Anlageplanung
Literaturempfehlungen
Maßstabsvergrößerung
Kunst oder Handwerk?
Aufgabe („job“) und Ursache („worker“)
7 Schritte zur Maßstabsvergrößerung
Konzept der geometrischen Ähnlichkeit bei der Maßstabsvergrößerung
geometrische Ähnlichkeit als Ursache für das Scheitern einer Maßstabsvergrößerung
Schwierigkeiten bei der Maßstabsvergrößerung
Grundlagen der Ähnlichkeitstheorie, Buckingham-PI Theorem
instationäre Wärmeübertragung, Garzeit eines Bratens - Fourier-Zahl
Dimensionsanalyse des Gehens - Froude-Zahl, Reynolds-Zahl
Anwendung und typische Fehler
Entwicklung dimensionsloser Kennzahlen Erstellen einer Relevanzliste
Entwicklung dimensionsloser Kennzahlen - Lösung linearer Gleichungssysteme; intuitive Methode, Konzept der Kernvariablen
Rührerleistung - Newton-Zahl, Reynolds-Zahl
Stoffübertragung
Stoffübergang an der Phasengrenze Gas/Flüssigkeit, Zweifilm-Theorie, - Sherwood-Zahl, Schmidt-Zahl
Ermittlung einer Fitfunktion aus experimentellen Daten
Wärmeübertragung
laminare und turbulente Rohrströmung - Nußelt-Zahl, Prandtl-Zahl
Wärmeübergang in Rührwerksbehältern
freie Konvektion - Grashof-Zahl
Erweiterung der Relevanzliste, Lösung des linearen Gleichungssystems mit Matlab
Filmkondensation und Blasensieden
Sensitivitätsanalyse mit Hilfe einer Monte-Carlo-Methode
Strömungssieden
Fluidverfahrenstechnik
Druckverlust in Rohrleitungen - Euler-Zahl
effektive bzw. benetzte volumenbezogene Oberfläche von Füllkörpern
Gas Hold-up in Blasensäulen
Flüssigkeits-Hold-up von Füllkörperpackungen
Fluten und Druckverlust von Füllkörperpackungen
Leistungsbedarf von Rührern
Rührerleistung in begasten Rührwerksbehältern
Mischzeit in Rührwerksbehältern
Relevanzliste der Rektifikation, Grenzen der Ähnlichkeitstheorie
Reaktionstechnik
idealer und realer Rohreaktor, Dispersionsmodell, partielle Ähnlichkeit
Entwicklung dimensionsloser Kennzahlen - Lösung linearer Gleichungssysteme, lineare Algebra
Herleitung dimensionsloser Kennzahlen aus Bilanzgleichungen - Damköhler-Zahlen, Lewis-Zahl, Arrhenius-Zahl, adiabate Temperaturerhöhung
heterogene Katalyse, Katalysatorwirkungsgrad
Stabilitätskriterium für Festbettreaktoren, run-away
Absorption von Gasen in Flüssigkeiten - Thiele-Modul und Verstärkungsfaktor E
Partikeltechnologie
Agglomeration, Telleragglomerator
Zyklon - geometrische Ähnlichkeit
Mischen von Feststoffen

Teilnehmerkreis
Verfahrenstechniker, Prozesstechniker, Chemieingenieure und Technische Chemiker aus allen Bereichen der Prozessindustrie, die sich mit der Auslegung bzw. Vorplanung und Basisplanung sowie der Maßstabsvergrößerung verfahrenstechnischer Prozesse beschäftigen.

Form der Wissensübermittlung
Vortrag, Diskussion, Berechnungsbeispiele sowie ausgedruckte Seminarunterlagen als Tischvorlage.

Die Seminarteilnehmer werden gebeten, einen Taschenrechner oder ein Notebook mit Excel mitzubringen.