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Fragenkatalog Mechanische Verfahrenstechnik SS17...

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Partikelgrößenanalyse • Erläutern Sie kurz die Bedeutung der beiden Parameter Dispersitätsgröße und Mengenart Dispersitätsgröße: Eigenschaft, an Hand derer die Partikel unterschieden werden. Dabei werden physikalische Partikelmerkmale bzw. Dispersitätsgrößen (wie z.B. Sedimentationsgeschwindigkeit) und geometrische Dispersitätsgrößen unterschieden. Mengenart : Die Mengenart richtet sich nach dem Verfahren, mit dem die Partikelgrößenverteilung bestimmt wird. Werden die Partikeln gezählt, so ist die Anzahl die Mengenart (Index 0). Werden sie gewogen ist es die Masse (3). Ferner gibt es noch die Mengenarten Länge (1), Fläche (2) und Volumen (3). • Nennen Sie kurz die drei unterschiedlichen Verfahrens- bzw. Methodengruppen zur Ermittlung von Partikelgrößenverteilungen und geben Sie für jede Gruppe ein Beispiel mit sehr kurzer Erläuterung an! 1) Trennverfahren, z.B. Siebung 2) Sedimentationsverfahren, z.B. Scheibenzentrifuge, Röntgen-oder Photosedimentometer 3) Zählverfahren, z.B. Mikroskop, Coulter Counter und Beugungsspektrometer

• Geben Sie für jedes der drei in b) genannten Beispiele die Dispersitätsgröße und die Mengenart an. 1) Siebung –1,3 2) Photosedimentometer–2,3 3) CoulterCounter – 3,0 • Definition der spezifischen Oberfläche Volumenspezifisch: SV = S/V Massenspezifisch: Sm = S/m • Für die Adsorption von Biomolekülen an Trägerpartikeln ist die spezifische Oberfläche wichtig. Erläutern Sie kurz, wie aus einer gemessenen Partikelgrößenverteilung der Trägerpartikel deren spezifische Oberfläche berechnet werden kann. Geben Sie hierzu eine Gleichung für den Fall an, dass die Partikel Kugelform besitzen! Berechnung der mittleren Oberfläche und des mittleren Volumens der Partikel über die entsprechenden Momente, Sv=6M-1,3 • Mit welcher Methode könnte die spezifische Oberfläche auch direkt gemessen werden? Oberflächenverfahren: •Gasadsorption bzw. BET-Methode •Strömungswiderstandsmessung

• Erläutern Sie das Sedimentationsverfahren zur Ermittlung der Partikelgrößen-verteilung! Welche unterschiedlichen Varianten der Messung (Messanordnungen) gibt es? Welche Effekte beeinflussen die Messung? Die Partikeln sedimentieren in einer Flüssigkeit. Aus Weg und Zeit wird die Sinkgeschwindigkeit bestimmt und daraus wird der Durchmesser einer Kugel berechnet. • Suspensionsverfahren und Überschichtungsverfahren • Brown’sche Molekularbewegung, Konzentration, Temperatur- und Dichteunterschiede

Zerkleinern • Beanspruchungsarten nach Rumpf 1. Druck und Schubbeanspruchung eines Partikels zwischen mindestens zwei Flächen; v bis 10m/s 2. Prallbeanspruchung eines Partikels an einer Fläche, v > 20 m/s 3. Beanspruchung durch das umgebende Medium, d.h. ohne Kontakt zu Feststoffoberflächen 4. Beanspruchung durch nichtmechanische Energiezufuhr (thermisch, elektrisch, chemisch)

• Welche drei Bedingungen müssen erfüllt sein, damit ein Partikel bei einer Beanspruchung auch bricht! • Spannungsbedingung (maximale Spannung > molekulare Zerreißspannung ) • Differentielle Energiebedingung (Bereitgestellte Energien >verbrauchte Energien, •

Energiefreisetzungsrate > Risswiderstand, G > R) Integrale Energiebedingung (vorhandene, elast. gespeicherte Energie ≥ aufgenommene Bruchflächenenergie)

• Welche Parameter sind geeignet, den Widerstand eines Partikels gegen dessen Zerkleinerung zu quantifizieren? Erläutern Sie kurz die Parameter! • Partikelfestigkeit: Kraft im Bruchpunkt bezogen auf den Nennquerschnitt des Partikels • Bruchenergie: Arbeit, die bis zum ersten vollständigken Bruch geleistet werden muss; ergibt sich aus Integration der Kraft-Weg-Kurve im Beanspruchungsdiagramm vom Beginn der Beanspruchung bis zum ersten Bruch • spezifische Zerkleinerungsarbeit: an der Partikelmasse geleistete Arbeit • Wie können diese Parameter mit Hilfe eines Versuches bestimmt werden? Zeichnen Sie das zugehörige Diagramm!

• Wie verhalten sich unterschiedlich große Partikel bei einer Prallbeanspruchung, wenn Sie mit gleicher Geschwindigkeit auf eine Platte prallen. Welche Partikel brechen und warum? BI ist unabhängig von der Partikelgröße. Bei kleineren Partikeln nimmt die Zahl der Fehlstellen ab, sodass die Zerkleinerungsarbeit mit abnehmender Partikelgröße ansteigt → Partikel bricht, wenn BIPrall > Wm → größere Partikel brechen bei gleicher Geschwindigkeit eher • Beschreiben Sie, wie der Bruch eines Partikels abläuft! 1) Es erfolgt eine Beanspruchung 2) Es kommt zur Verformung des Partikels. 3) Es bildet sich ein dreidimensionales Spannungsfeld mit Druck-, Zug- und Schubspannungen. 4) Im Spannungsfeld wird elastische Energie gespeichert. 5) Ist die Spannung ausreichend groß, werden Brüche ausgelöst (Spannungsbedingung) 6) Wenn die Energie ausreichend groß ist, läuft der Bruch durch (Energiebedingung). 7) Erster Bruch, der das Partikel vollständig durchläuft, bewirkt den Partikelbruch. 8) Bruchstücke werden durch verbleibende mechanische Energie beschleunigt und bewegen sich auseinander.

• Geben Sie die Gleichung für die spezifische Bruchenergie an!

• 3 Mühlentypen + Funktionsweise • Mühlen mit losen Mahlkörpern: im Mahlraum wird Mischung von Mahlkörpern und Mahlgut bewegt • Kugelmühlehorizontal gelagerter, drehender kreiszylindrischer Mahlraum • Walzmühlen: Beanspruchung des Mahlgutes im Spalt zwischen zwei rotierenden Werkzeugen oder einem rotierenden Werkzeug und einer Wand/Boden • Schneidmühlen: Schneidleisten zum Schneiden „weicher“ Produkte • ...

Haufwerksdurchströmung und Wirbelschicht • Skizzieren Sie die Abhängigkeit des Druckverlustes von der so genannten Leerrohrgeschwindigkeit bei der Durchströmung eines Haufwerks bzw. einer Wirbelschicht! Benennen Sie dabei die sich ausbildenden drei Bereiche!

• Welche Besonderheit im Kurvenverlauf ergibt sich bei feinen Partikeln und wodurch wird dieser besondere Kurvenverlauf hervorgerufen? Bei feinen Partikeln kommt es kurz vor der Lockerungsgeschwindigkeit vLzu einem kurzen Anstieg von Δ p. Die Anziehungskräfte zwischen den einzelnen Partikeln müssen überwunden werden und dass äußert sich in dem kleinen „Buckel“im Diagramm.

• Wie wird die Leerrohrgeschwindigkeit genannt, bei der es gerade zur Ausbildung einer Wirbelschicht kommt? Lockerungsgeschwindigkeit • Beschreiben Sie kurz, wie sich die Porosität mit zunehmender Leerrohrgeschwindigkeit verändert (ggf. mit Hilfe eines Diagramms) -in Schüttschicht konstant, zunehmend in Wirbelschicht, geht gegen 1 bei der Förderung • Welche Bedingung muss erfüllt sein, damit es noch nicht zur Ausbildung einer Wirbelschicht kommt? Strömungskraft (Widerstandskraft) < Gewichtskraft • Skizzieren Sie einen Wirbelschichtgranulator und bezeichnen Sie die wichtigsten Teile. Erläutern Sie die Funktion des Wirbelschichtgranulators!

• Wie ist der Granulator im unteren Bereich der Wirbelschicht ausgeführt und warum wird dies so gemacht?  konischer Verlauf/ Querschnittserweiterung Vorteil: Änderung der Strömungsgeschwindigkeit über Höhe → Klassierung von unagglomeriertem Feingut/ agglomeriertem Grobgut

Mischen • Geben Sie an, aus welchen Anteilen sich die Gesamtvarianz zur Beurteilung eines Mischprozesses zusammensetzt (Gleichung und kurze Beschreibung der Terme) σ²(t) : Gesamtvarianz σ²M: Varianz der Messungenauigkeiten σ²z: Varianz der stochastischen Homogenität VA: Volumen eines Partikels VP: Volumen der Probe σ²syst(t) : Systemvarianz

σ²(t) = σ²M+ σ²z+ (1-VA/VP)*σ²syst(t)

• Nennen Sie zwei mögliche Parameter zur Beschreibung der Mischgüte! Kombination statistischer Grundgrößen wie Mittelwert, Endmischgüte σE², Stichprobenvarianz s², Anfangsvarianz σA² oder Varianz der idealen Zufallsmischung (stochastische Homogenität) σZ²

• Erläutern Sie mit Hilfe eines Diagramms, wie sich die Gesamtvarianz mit zunehmender Mischzeit verändert! X-Achse: Zeit Y-Achse: Varianz -Einzeichnen der stochastischen Homogenität

Schüttgüter • Welche Probleme können bei Schüttgütern auftreten • Brückenbildung • Schachtbildung • Entmischung • unregelmäßiger Fluss, Schießen • lange Verweilzeiten älteren Silos, neues wird sofort wieder ausgetragen • Welche beiden Flussformen gibt es bei Schüttgütern? Nennen und skizzieren Massenfluss und Kernfluss

• Einaxialer Druckversuch -Hohlzylinder mit reibungsfreien Wänden, gefüllt mit feinkörnigem Schüttgut σ1: Verfestigungsspannung -verringert V, Festigkeit steigt σc: Schüttgutfestigkeit -zum Bruch notwendige Spannung

• Zeitverfestigung Anstieg der Schüttgutfestigkeit mit zunehmender Lagerung unter Druck (längere Zeit in Ruhe)

Trennen • Trennfunktion: Definition und Formel -Verhältnis der Menge der Partikeln x im Grobgut zu der Menge der gleichen Partikelgröße im Aufgabegut an und damit, welcher Mengenanteil der Partikelgröße x zum Grobgut gelangt

• Beanspruchungsmechanismen nennen und skizzieren

• Dekanter: Ziele + physikalische Grundprinzipien Ziel: Fest-Flüssigtrennung (z.B. Eindicken von Klärschlämmen, Klärung von Abwässern) -extrem hohe Fliehkräfte -Feststofftransport über Schnecke mit Differenzdrehzahl zum Zentrifugenkörper • 3 unterschiedliche Methoden der Trennung Fest-Flüssig • • •

Sedimentieren/Zentrifugieren Filtrieren Auspressen

• 2 Grundaufgaben der Fest-Flüssig-Trennung • eine möglichst feststofffreie Flüssigkeit zu erhalten (Klären)  • möglichst trockenen Feststoff zu gewinnen (Entwässern, Eindicken) • Spiralwindsichter zeichnen -Trennung im Fliehkraftfeld, wobei Gas über einstellbaren Leitschaufelkranz entgegen der Fliehkraft nach innen gesaugt wird

• Querstromfiltration Gründe: • Filtration von Partikeln im Submikrobereich • Sehr großer Druckverlust bei Durchströmung des Filterkuchens und sehr kleine Sinkgeschwindigkeit • Wechselwirkungen von Partikeln und Filtermittel mit makroskopisch-molekularen Substanzen verringert Viskosität und Suspension wird dünnflüssiger

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Prinzipien: parallel zum Filtermittel in zwei Richtungen (durch Filtermedium und tangential Richtung Austritt) durch Filtermedium hindurch...