Читать книгу Verfahrenstechnik für Dummies - Burkhard Lohrengel - Страница 21

In Abbildung 1.2 haben Sie gesehen, dass die physikalische Stoffumwandlung durch thermische oder mechanische Prozesse erfolgen kann. Was unterscheidet diese beiden Prozessarten aber voneinander? Thermische und mechanische Verfahren weisen folgende charakteristische Unterschiede auf:

 Mechanische Verfahren:Sie haben es mit makroskopisch großen Teilen zu tun (Feststoffe, Flüssigkeitstropfen, Gasblasen), die Teil eines mehrphasigen Stoffsystems sind.Die Bewegung makroskopisch großer Einzelteile wird durch die Gesetze der Mechanik beschrieben, nämlich durch das Einwirken äußerer Kräfte (zum Beispiel Schwerkraft, Fliehkraft, Trägheitskraft), thermische Molekularbewegungen können vernachlässigt werden.Die Zerlegung mehrphasiger Systeme in die einzelnen Komponenten (Phasen) erfolgt durch mechanische Verfahren. Wird ein Gasstrom entstaubt, so ist dies ein typisches mechanisches Verfahren. Das mehrphasige System, bestehend aus Gas und Feststoff, wird in die einzelnen Komponenten, das heißt in die Phasen Gas und Feststoff zerlegt.

 Thermische Verfahren:Die Komponenten eines Stoffgemischs liegen als molekulare Einzelteilchen vor und bilden eine homogene Phase.Die Bewegung der Einzelteilchen (Moleküle) innerhalb der Phase ist ungeordnet und chaotisch (Brownsche Molekülbewegung).Die Zerlegung homogener Gemische in Teilströme erfolgt durch thermische Verfahren. Ein homogenes Gemisch besteht aus einer Phase, in der sich mehrere Komponenten befinden. Ein homogenes Gemisch ist beispielsweise eine Flüssigkeit, die aus Wasser und Alkohol besteht. Dieses homogene Gemisch können Sie durch thermische Trennverfahren in die Komponenten Wasser und Alkohol zerlegen.Dominiert die ungeordnete, chaotische Bewegung von Molekülen (Brownsche Molekularbewegung), ist eine Trennung nur durch thermische Verfahren möglich.

Die Masse der Teilchen entscheidet somit, ob die Stoffumwandlung mit den Gesetzen der Mechanik oder den Gesetzen der Thermodynamik zu berechnen ist.

Das Beispiel der Rauchgasreinigung nach Kohlekraftwerken verdeutlicht Ihnen diese Zusammenhänge (Abbildung 1.5). Das durch Verbrennung erzeugte Rauchgas besteht hauptsächlich aus Stickstoff (N₂), das mit der Verbrennungsluft zugeführt wird, aber nicht an der Verbrennungsreaktion teilnimmt. Der andere Hauptbestandteil des Rauchgases ist Kohlenstoffdioxid (CO₂), das durch die Oxidation des Kohlenstoffs der Kohle entsteht. Kohlenstoffdioxid ist zwar ein Treibhausgas, es sind hierfür aber keine konkreten Grenzwerte festgelegt. Neben diesen beiden Hauptkomponenten enthält das Rauchgas als für die Umwelt ungefährliche Komponenten Sauerstoff (O₂), der als Überschuss der Verbrennung zugeführt wird, sowie Wasserdampf (H₂O), der aus der Reaktion des Sauerstoffs mit dem in der Kohle enthaltenen Wasserstoff entsteht. Als umweltschädliche Stoffe, für die in der Gesetzgebung Grenzwerte festgelegt sind, entstehen bei der Verbrennung der Kohle die Gase Stickstoffoxid (NO_x) und Schwefeldioxid (SO₂) sowie Asche als Feststoff. Diese Stoffe müssen aus dem Gasstrom entfernt werden.

Nach dem Dampferzeuger strömt das Rauchgas der Rauchgasreinigung zu. Hier werden die umweltschädlichen Stoffe abgeschieden oder in ungefährliche umgewandelt. Zuerst wird in der Entstickung das NO_x (NO_x ist die Summenformel für die beiden Stickstoffoxide NO und NO₂) in einer katalytisch-chemischen Reaktion zu elementarem Stickstoff reduziert:

(1.1)

Das umweltschädliche Stickstoffdioxid (NO₂) wird mittels Ammoniak (NH₃) zu den ungefährlichen und in der Atmosphäre natürlich vorkommenden Stoffen Stickstoff (N₂) und Wasserdampf (H₂O) umgewandelt.

In der Entstaubung werden die Aschepartikel abgeschieden. Hierbei handelt es sich um ein typisches mechanisches Trennverfahren. Die Feststoffphase wird von der Gasphase getrennt. Eine hundertprozentige Ascheabscheidung vorausgesetzt, besteht das Rauchgas jetzt nur noch aus einer gasförmigen Mischphase. In der letzten Unit Operation werden die Schwefeldioxidmoleküle aus dem Gasstrom abgeschieden. Die Trennung des SO₂ vom Restgasgemisch findet innerhalb einer Phase und somit im molekularen Bereich statt. Dies ist ein typisches thermisches Trennverfahren (Absorption). Das gereinigte Rauchgas verlässt das Kraftwerk danach gereinigt über den Kamin.

Abbildung 1.5 Thermische und mechanische Trennverfahren am Beispiel der Rauchgasreinigung