Konstruktion verfahrenstechnischer Maschinen

Konstruktion verfahrenstechnischer Maschinen — eine Einführung in die Arbeitsgebiete des Sonderforschungsbereichs.- 1 Konstruktion verfahrenstechnischer Maschinen.- 1.1 Konstruktionssystematik für die integrierte Prozess- und Maschinenentwicklung in der Verfahrenstechnik.- 1.1.1 Entwicklungsprozesse in Maschinenbau und Verfahrenstechnik.- 1.1.2 Vorgehensweise zum Entwickeln verfahrenstechnischer Maschinen.- 1.1.2.1 Planungsphase.- 1.1.2.2 Konzeptionsphase.- 1.1.2.3 Entwurfsphase.- 1.1.2.4 Ausarbeitungsphase.- 1.1.3 Anwendung der Methodik bei der Entwicklung verfahrenstechnischer Maschinen.- 1.1.3.1 Beispiel 1: Entwicklung eines Hochgeschwindigkeits-Winds ichters.- 1.1.3.2 Beispiel 2: Entwicklung eines Reaktionsverdichters für das Recycling von Kunststoffen.- 1.1.3.3 Beispiel 3: Entwicklung einer Reaktionsmühle.- 1.1.4 Zusammenfassung.- 1.2 Behandlung von Anforderungen in der Entwicklung verfahrenstechnischer Prozesse, Maschinen und Anlagen.- 1.2.1 Die Bedeutung von Anforderungen in technischen Aufgabenstellungen.- 1.2.2 Bewertung der gegenwärtigen Anforderungsbehandlung.- 1.2.3 Aufbau einer Anforderungsstruktur.- 1.2.4 Die Erfassung von Anforderungen.- 1.2.4.1 Anforderungen durch den Auftraggeber.- 1.2.4.2 Anforderungen des eigenen Unternehmens.- 1.2.4.3 Anforderungen der Umgebung.- 1.2.4.4 Allgemeine Ansprüche an die Erfassung von Anforderungen.- 1.2.5 Die Aufbereitung von Anforderungen.- 1.2.6 Die Bereitstellung von Anforderungen.- 1.2.7 Zusammenfassung.- 1.3 Sicherheitstechnik in der Verfahrenstechnik.- 1.3.1 Einleitung.- 1.3.2 Notwendigkeit der Fehler- und Störfallprävention in der Verfahrenstechnik.- 1.3.3 Sicherheitsanalytische Methoden in der Verfahrenstechnik.- 1.3.3.1 Checklistenanalysen.- 1.3.3.2 HAZOP-Studie (PAAG-Verfahren).- 1.3.3.3 Matrixdarstellung der Wechselwirkungen.- 1.3.3.4 Ausfalleffektanalyse (FMEA).- 1.3.3.5 Ereignisablaufanalyse.- 1.3.3.6 Fehlerbaumanalyse.- 1.3.3.7 Entscheidungstabellentechnik.- 1.3.3.8 KOMB-Analyse.- 1.3.4 Einsatz der vorgestellten Sicherheitsanalysen in der Maschinen- und Anlagenentwicklung.- 1.3.4.1 Bewertung der Sicherheitsanalysen.- 1.3.4.2 Entwicklungsbegleitende Sicherheitskonzepte.- 1.3.4.3 Erkenntnisse aus der Untersuchung der sicherheitsanalytischen Methoden.- 1.3.5 Die wissensbasierte Sicherheitsanalyse (WISI).- 1.3.5.1 Funktions-Anforderungs-Struktur.- 1.3.5.2 Zuordnung der Verfahren, Anlagen und Komponenten.- 1.3.5.3 Kontrolle und präventive Ermittlung von Störungen.- 1.3.5.4 Gewichten von Störungen, Ursachen und Auswirkungen.- 1.3.5.5 Durchführung präventiver Sicherheitsanalysen.- 1.3.5.6 Ma?nahmen gegen Ursachen und Auswirkungen von Störungen.- 1.3.6 Verbesserung der Analysegenauigkeit der Sicherheitsanalyse durch Einsatz von Methoden künstlicher Intelligenz.- 1.3.7 Zusammenfassung.- 2 Belastungen, Dynamik, Akustik.- 2.1 Besonderheiten in Belastung und Beanspruchung verfahrenstechnischer Maschinen.- 2.2 Beanspruchung von Komponenten verfahrenstechnischer Maschinen und Möglichkeiten der Beeinflussung.- 2.2.1 Einleitung.- 2.2.2 Untersuchte verfahrenstechnische Maschinen.- 2.2.2.1 Allgemeines.- 2.2.2.2 Gutbett-Walzenmühlen.- 2.2.2.3 Shredder.- 2.2.3 Betriebsmessungen und Analyse der Beanspruchungen.- 2.2.3.1 Allgemeines.- 2.2.3.2 Beanspruchungen im Antriebsstrang der Gutbett-Walzenmühle.- 2.2.3.3 Beanspruchungen im Antriebsstrang des Shredders.- 2.2.4 Antriebs- und regelungstechnische Maßnahmen zur Lastkollektivminimierung und Energieeinsparung.- 2.2.4.1 Elektrisch-mechanisches Antriebssystem / Stand der Technik.- 2.2.4.2 Drehzahlelastische Antriebe zur Lastkollektivminimierung.- 2.2.4.3 Ergebnisse.- 2.2.5 Lastannahmen für Komponenten.- 2.2.6 Danksagung.- 2.3 Konstruktive Gestaltung von Hochgeschwindigkeitsrotoren, Einsätzen und Verbindungen in verfahrenstechnischen Maschinen.- 2.3.1 Einleitung.- 2.3.2 Gestaltung eines Hochgeschwindigkeits-Windsichters.- 2.3.2.1 Aufgabenstellung und Stand der Technik, Konzeptfindung.- 2.3.2.2 Aufbau eines Abweiseradsichterrotors.- 2.3.2.3 Grundlagen zur Berechnung und Gestaltung der Sichterelemente nach Abb. 6.- 2.3.2.4 Dynamische Analyse.- 2.3.2.5 Anmerkungen zum Verschlei? in Faserverbundwerkstoffen.- 2.3.3 Gestaltung von Rotoren für Prallmühlen.- 2.3.3.1 Aufgabenstellung und Stand der Technik.- 2.3.3.2 Festigkeitsbetrachtungen zum Istzustand von Feinprallmühlen.- 2.3.3.3 Mahlrotoren für hohe Umfangsgeschwindigkeiten.- 2.3.4 Zusammenfassung.- 2.4 Aspekte zur dynamischen Auslegung und Optimierung von Laborzentrifugen.- 2.4.1 Einleitung.- 2.4.2 Grundlegender Aufbau von Laborzentrifugen.- 2.4.3 Das dynamische Verhalten des Rotorsystems.- 2.4.4 Evolutionärer Algorithmus zur Mehrzieloptimierung einer Zentrifugenkonstruktion.- 2.4.5 Zusammenfassung.- 2.5 Lärmminderungmaßnahmen an schnelllaufenden Prallzerkleinerungsmaschinen.- 2.5.1 Aufgabe und Schallsituation von Prallmühlen.- 2.5.2 Schallentstehung bei Prallzerkleinerungsmaschinen.- 2.5.3 Schallausbreitung.- 2.5.4 Schallemission von Prallzerkleinerungsmaschinen.- 2.5.5 Lärmminderungsmaßnahmen.- 2.5.6 Ansatzpunkte für eine lärmarme Mühlenkonstruktion.- 2.5.6.1 Die Lagerung.- 2.5.6.2 Die Mahlgutführung.- 2.5.6.3 Die Einbauten.- 2.5.6.4 Das Gehäuse.- 2.5.7 Abschätzung der Schallemission des Mühlengehäuses.- 2.5.8 Lösungsvorschläge.- 2.5.9 Zusammenfassung.- 3 Verfahrenstechnische Maschinen unter vorwiegend mechanischen Beanspruchungen.- 3.1 Einleitung.- 3.2 Die Feinsttrennung in Fliehkraft-Gegenstromsichtern bzw. Abweiseradsichtern.- 3.2.1 Einleitung.- 3.2.2 Die Trenngrenze der Fliehkraft-Gegenstromsichter.- 3.2.3 Der Abweiseradsichter.- 3.2.4 Die Dosier- und Dispergiereinheit.- 3.2.5 Ergebnisse.- 3.2.6 Zusammenfassung.- 3.3 Die Feinstzerkleinerung in einer zweistufigen Rotorprallmühle.- 3.3.1 Einleitung.- 3.3.2 Der Aufbau der zweistufigen Rotorprallmühle.- 3.3.3 Enge Verteilung der Prallgeschwindigkeiten.- 3.3.4 Hohe Relativ-/Prallgeschwindigkeiten und kurze Flugwege.- 3.3.5 Hohe Aufprallwahrscheinlichkeit auf den stationären und bewegten umströmten Prallelementen.- 3.3.6 Ergebnisse.- 3.3.7 Zusammenfassung.- 3.4 Untersuchungen zur Zerkleinerung von Kunststoffen in einer Schneidmühle und einem Pendelschlagwerk.- 3.4.1 Einleitung.- 3.4.2 Grundlagen des Schneidvorganges.- 3.4.3 Schneidmühlen.- 3.4.4 Pendelschlagwerk.- 3.4.5 Ergebnisse.- 3.4.6 Zusammenfassung.- 4 Verfahrenstechnische Maschinen unter vorwiegend thermischen, chemischen und abrasiven Beanspruchungen.- 4.1 Entwicklung keramischer Ventilatoren für die Umwälzung heißer Gase bis 1350 °C.- 4.1.1 Heißgasförderung in der Verfahrenstechnik.- 4.1.2 Konstruktive Probleme bei der Entwicklung eines Heißgasventilators.- 4.1.2.1 Keramische Werkstoffe: fertigungsgerechte Gestaltung.- 4.1.2.2 Modulare Lösungsansätze.- 4.1.2.3 Monolithische Konstruktion für Ventilatorrad und Antrieb.- 4.1.2.4 Belastung und Lebensdauer.- 4.1.3 Förderverhalten (strömungstechnische Untersuchungen).- 4.1.3.1 Versuchsanlagen.- 4.1.3.2 Ergebnisse der strömungstechnischen Untersuchungen.- 4.1.4 Dauerversuche (Versuche mit Paddelrädern).- 4.1.5 Zusammenfassung.- 4.2 Reaktionsmühle.- 4.2.1 Bedeutung und Besonderheiten von Feststoffreaktionen.- 4.2.2 Aktivierung von Feststoffen.- 4.2.3 Entwicklungsstand und Perspektiven.- 4.2.4 Simultane Reaktion und Mahlung.- 4.2.5 Technisch interessante Modellreaktionen.- 4.2.6 Methodische Vorgehensweise.- 4.2.6.1 Synthese von Chlorsilanen.- 4.2.6.2 Erzeugung von Grignardverbindungen.- 4.2.7 Anforderungen an Werkstoffe, Konstruktion und Betrieb.- 4.2.8 Reaktionstechnische Voruntersuchungen.- 4.2.8.1 Grignardsynthese.- 4.2.9 Entwicklung von Schwingmühlen.- 4.2.9.1 Stand der Technik, Aufgabenstellung.- 4.2.9.2 Entwicklung eines diskontinuierlichen Schwingmühlenprüfstandes.- 4.2.10 Untersuchungen zu den verfahrenstechnischen Eigenschaften der Schwingmühle.- 4.2.10.1 Kalorimetrische Untersuchungen zum Leistungseintrag bei der Mahlung.- 4.2.10.2 Bewegungsformen der Füllung.- 4.2.10.3 Modellierung der Bewegungsformen.- 4.2.10.4 Untersuchungen zur Zerkleinerung.- 4.2.11 Reaktives Mahlen.- 4.2.11.1 Hydrochlorierung von Ferrosilizium.- 4.2.11.2 Umsetzung von Magnesium zu Grignardverbindungen.- 4.2.12 Schlussfolgerung und Ausblick.- 4.3 Kreislaufreaktor.- 4.3.1 Bedeutung von Kreislaufreaktoren.- 4.3.2 Entwicklungsstand.- 4.3.3 Modellreaktionen.- 4.3.4 Versuchsstand.- 4.3.5 Anforderungsliste.- 4.3.6 Konstruktionssystematische Untersuchungen.- 4.3.6.1 Funktionsstruktur.- 4.3.6.2 Lösungsfindung für die Teilsysteme „Stoff mit Energie verknüpfen“, „ Gasumwälzung“, „Gasrückführung“ und Lösungskombinationen.- 4.3.6.3 Methodische Lösungsfindung für die Baureihenentwicklung.- 4.3.6.4 Nomogramm zur Ähnlichkeit.- 4.3.6.5 Umsetzung des Nomogramms in eine schematische Baureihe.- 4.3.7 Bau der Reaktoren.- 4.3.7.1 Liter-Reaktor.- 4.3.7.2 10-Liter-Reaktor.- 4.3.8 Untersuchungen zur Gasumwälzung bei Raumtemperatur.- 4.3.9 Reaktionstechnische Bewertungen.- 4.3.9.1 Dichtigkeitspriifungen.- 4.3.9.2 Strömungsverhältnisse.- 4.3.9.3 Chemische Umsetzungen im 1L-Kreislaufreaktor.- 4.4 Polymermodifizierung in einer Schwingmühle.- 4.4.1 Einleitung.- 4.4.2 Reaktor.- 4.4.3 Mechanochemischer Polymerabbau.- 4.4.3.1 Kontrollierter mechanischer Molmassenabbau.- 4.4.3.2 Abbauversuche mit Polyethylen.- 4.4.4 Mechanochemische Polymersynthese.- 4.4.4.1 Pfropf- und Blockcopolymerbildung.- 4.4.4.2 Rheologische Messungen.- 4.4.5 Zusammenfassung.- 4.5 Trockene Entschwefelung von Abgasen im Niedertemperaturbereich.- 4.5.1 Einleitung und Problemstellung.- 4.5.2 Modellreaktion.- 4.5.3 Anlagenentwicklung.- 4.5.3.1 Systematik der Anlagenentwicklung.- 4.5.3.2 Festlegung der Anforderungen an Anlagenkomponenten.- 4.5.3.3 Konstruktionssystematik.- 4.5.4 Konstruktion.- 4.5.4.1 Beschreibung der Versuchsanlage.- 4.5.4.2 Entwicklung des Injektors.- 4.5.4.3 Entwicklung des Gas-Feststoffabscheiders.- 4.5.4.4 Kreisprozessentwicklung.- 4.5.4.5 Anwendung einer entwicklungsbegleitenden Sicherheitsanalyse.- 4.5.5 Betrieb.- 4.5.5.1 Experimentelle Untersuchungen des Entschwefelungsprozesses.- 4.5.5.2 Betrieb Injektor.- 4.5.5.3 Betrieb Filterkammer.- 4.5.6 Schlussfolgerungen.- 4.6 Ultraschallreaktoren.- 4.6.1 Verfahrenstechnische Aufgabenstellung.- 4.6.1.1 Ultraschallausbreitung und Wirkung.- 4.6.1.2 Technische Grignardreaktionen.- 4.6.1.3 Mechanochemisch aktivierte Reaktionen.- 4.6.2 Reaktor- und Verfahrensentwicklung.- 4.6.2.1 Entwicklung der Anforderungsliste.- 4.6.3 Werkstoffe für Ultraschallreaktoren.- 4.6.3.1 Akustische Kavitation und Kavitationswiderstand.- 4.6.3.2 Sonotrodenwerkstoffe.- 4.6.3.3 Reaktorwandwerkstoffe.- 4.6.4 Experimentelle Untersuchungen im Konusreaktor.- 4.6.4.1 Grignardreaktionen mit Magnesium.- 4.6.4.2 Grignardreaktionen mit Magnesium-Calcium.- 4.6.5 Scale-up und Ausblick.- 4.7 Reaktionsverdichter.- 4.7.1 Verfahrenstechnische Aufgabenstellung, Kunststoffrecycling.- 4.7.2 Abbau von Polymeren in überkritischem Wasser.- 4.7.3 Versuche im Batchreaktor.- 4.7.4 Versuche im Semibatchreaktor.- 4.7.5 Verfahrenstechnische Anforderungen.- 4.7.6 Entwicklung des kontinuierlich arbeitenden Reaktionsverdichters zum Abbau von Kunststoffen durch den Einsatz überkritischen Wassers.- 4.7.6.1 Aufgabenstellung und Anforderungsliste.- 4.7.6.2 Konstruktive Umsetzung der Prozessanforderungen.- 4.8 Werkstofftechnik für Reaktionsverdichter.- 4.8.1 Werkstofftechnische Aufgabenstellung.- 4.8.2 Charakterisierung des Beanspruchungskollektivs der Modellreaktion.- 4.8.3 Anforderungen an einen Prüfstand.- 4.8.4 Prüfstandkonzept.- 4.8.4.1 Kolbenprüfstand.- 4.8.4.2 Stempelprüfstand.- 4.8.4.3 Rührautoklave.- 4.8.4.4 Bewertung der Lösungskonzepte.- 4.8.5 Versuchsbedingungen.- 4.8.6 Schlussfolgerung.- 5 Werkstoff- und Fertigungstechnik.- 5.1 Auftragschweißen von Verschleißschutzschichten mit definierter Gefügemorphologie.- 5.1.1 Problemstellung und Einleitung.- 5.1.2 Schichtverbundbauweise.- 5.1.3 Beschichtungsverfahren.- 5.1.4 Werkstoffe zum Hartauftragschweißen.- 5.1.5 Gefügeaufbau und Werkstoffeigenschaften.- 5.1.6 Das System Kobalt-Chrom-Kohlenstoff.- 5.1.7 Untersuchungen eutektischer Kobaltbasishartlegierungen.- 5.1.8 Auftragschweißen von Schutzschichten mit ausgerichteter Hartstoffeinlagerung.- 5.1.9 PHP-Hartauftragschweißen einer eutektisch erstarrenden Kobalthartlegierung.- 5.2 Metall-Keramik-Verbindungen durch Diffusionsschweißen für den Einsatz in verfahrenstechnischen Maschinen.- 5.2.1 Einleitung.- 5.2.2 Fügen von Metall-Keramik-Verbunden.- 5.2.3 Diffusionsschweißen.- 5.2.3.1 Schweißen mit einer Dusionsschweißanlage.- 5.2.3.2 Gasdruckdiffusionsschweißen.- 5.2.4 Werkstoffauswahl für die Diffusionsschweißversuche.- 5.2.4.1 Keramische Werkstoffe.- 5.2.4.2 Metallische Grundwerkstoffe.- 5.2.4.3 Zwischenschichten und Zwischenschichtsysteme.- 5.2.5 Diffusionsschweißungen.- 5.2.5.1 Direktschweißungen zwischen Keramik und Metallen.- 5.2.5.2 Diffusionsschweißungen mit Zwischenschichten und -systemen.- 5.2.6 Mechanische Eigenschaften der Diffusionsschweißungen.- 5.2.7 Schlussfolgerung.- 5.3 Untersuchungen der Temperaturwechselbeständigkeit insbesondere von keramischen Werkstoffen als Grundlage für den Hochtemperaturmaschinenbau („Temperaturwechselbeanspruchung“).- 5.3.1 Einleitung und Problemstellung.- 5.3.2 Theoretische Grundlagen zur Berechnung der thermoinduzierten Spannungen.- 5.3.3 Einflussfaktoren auf die kritische Abkühlgeschwindigkeit.- 5.4 Hochtemperaturoxidationsschutz von C/C-Werkstoffen auf Mullitbasis.- 5.4.1 Vorbemerkungen.- 5.4.2 PLD-Schutzschichten.- 5.4.3 Sol-Gel-Schutzschichten.- 5.4.4 Schlussfolgerungen.- 5.4.5 Danksagung.- 5.5 Hartbearbeitung von Industriekeramik.- 5.5.1 Einleitung.- 5.5.2 Ultraschallschwingläppen.- 5.5.3 Werkstoffe und Abtrennleistung.- 5.5.4 Oberflächentopographie und Rauheit.- 5.5.5 Bauteilfestigkeit.- 5.5.6 Zusammenfassung.- Veröffentlichungen, Vorträge und Dissertationen des Sonderforschungsbereichs 180.