Klausurfragen

Die Froude-Zahl ist eine dimensionslose Kennzahl, die typischerweise in rotierenden Systemen (z. B. Mischer, Trommeln) zur Beschreibung des Verhältnisses von Trägheits- zu Gravitationskräften verwendet wird

Damit der physikalische Prozess (z. B. Mischen, Reaktion, Wärmeübertragung) im großen Maßstab genauso funktioniert wie im kleinen, muss gelten:

• Die Prozessdynamik bleibt vergleichbar.

• Ähnliche Kräfteverhältnisse (z. B. Trägheit zu Schwerkraft oder Viskosität zu Trägheit).

• Keine neuen Effekte (z. B. Sedimentation, Wandreibung, Totzonen), die im kleinen Maßstab unbedeutend waren.

1,013 bar

Je höher die Dichte und/oder Masse, desto besser wird der Stoff im Zyklon abgeschieden.

Die kinetische Energie der Partikel wird durch Reibung und Wandkontakte in Wärme umgewandelt.​

1,013 bar

• Keine beweglichen Teile → Geringer Wartungsaufwand, hohe Betriebssicherheit

• Hitzebeständig & druckfest → Einsetzbar bei hohen Temperaturen und Drücken

• Geringe Betriebskosten → Kein Filtermaterial, keine Chemikalien, nur Druckverlust

• Sehr feine Partikel (< 5 µm)

• Klebrige oder feuchte Stoffe

• Hohe Abscheideleistung erforderlich (z. B. > 95 %)

1. Filtration → mechanische Rückhaltung an Filtermedien

2. Nassabscheidung → Auswaschen mit Flüssigkeit

3. Elektrofilter → elektrostatische Abscheidung feiner Partikel

• Sprühtrocknung → Feine Tröpfchen ermöglichen schnelle Trocknung

• Brennstoffverbrennung → Feinvernebelung für gute Durchmischung und Verbrennung

1. Sprühdüse (Zerstäubungsdüse)

2. Orifice-Düse (Blenden- oder Öffnungsdüse)

1. Wasser: cp≈4,18 kJ/kg K

2. Luft: cp≈1,0 kJ/kg K

1. Inhalationssprays (Pharma)

2. Milchpulver (Lebensmittel)

Nein, beim idealen Rührkessel hat die Drehfrequenz des Rührers keinen Einfluss auf die mittlere Verweilzeit.

Die Durchmischung im idealen Rührkessel gilt als sofort und vollständig — unabhängig davon, wie schnell der Rührer tatsächlich läuft. Die ideale Modellannahme geht davon aus, dass jede Flüssigkeitseinheit sofort perfekt verteilt wird.

Verweilzeitverteilung kann durch gute Durchmischung, Strömungsführung, mehrstufige Systeme und gleichmäßige Beschickung minimiert werden.

Gute Schüttgut-Untersuchung = representative Probe + passende Methode + sicheres Ergebnis (reproduzierbar und aussagekräftig)

1. Korngrößenverteilung   → Einheit: µm (Mikrometer) oder mm

2. Schüttdichte    → Einheit: kg/m³

3. Feuchtegehalt    → Einheit: % (Massen- oder Wasseranteil)

4. Schüttwinkel / Fließwinkel   → Einheit: ° (Grad)

Stabilität von Suspensionen/Emulsionen wird oft über die Sedimentationsgeschwindigkeit oder das Zeta-Potenzial bewertet.

Keine Analyse ohne gute Probe! Nicht-repräsentative Schüttgutproben müssen neu entnommen oder korrekt homogenisiert und geteilt werden

Der Heywood-Faktor beschreibt die Partikelform. φ = 1 → Kugel; φ > 1 → unregelmäßig. Einheitslos.

Modalwert = häufigste Partikelgröße Medianwert = 50 % der Partikel sind kleiner

1. Feinstaub oder Aerosole  → Partikel zu klein, passieren Siebe

2. Gelöste Stoffe / Verunreinigungen  → nicht mechanisch zurückhaltbar

3. Magnetische Verunreinigungen  → benötigen Magnetabscheider, nicht Siebe

4. Klebrige oder agglomerierte Stoffe  → verklumpen, verstopfen Siebmaschen

1. Strömungsprofile (z. B. laminare Strömung)  → Partikel in der Mitte fließen schneller als am Rand

2. Totzonen  → Bereiche mit kaum Bewegung → lange Verweilzeit

3. Kurzschlussströmungen  → Teil des Flusses passiert den Apparat zu schnell, ohne ausreichend Kontaktzeit

4. Mangelhafte Durchmischung  → Ungleichmäßige Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit

5. Geometrie des Apparats  → Ecken, Einbauten, ungünstige Rohrführung etc.

6. Pulsierende oder instabile Zuflüsse  → Unregelmäßige Stoffeinbringung

Mittlere Verweilzeit = Volumen geteilt durch Volumenstrom

Eine große Verweilzeitverteilung ist vorteilhaft bei Durchmischung, Homogenisierung, Pufferung und thermischer Sicherheit.

VZV wird minimiert durch gute Strömungsführung, optimierte Geometrie, gleichmäßige Zuführung und Reihenschaltung von Apparaten.

FI-FO = First In, First Out

Wer zuerst kommt, geht zuerst.Dient der Frische und Rückverfolgbarkeit in der Lebensmittelproduktion.

Spreu vom Weizen trennt man durch Windsichten und Sieben – basierend auf Dichte und Größe.

Öl: ~900 kg/m³

Luft: ~1,2 kg/m³ unter Normalbedingungen.

Mehr Feuchtigkeit = geringere Luftdichte,weil Wasserdampf leichter ist als trockene Luft.

Druckverlust delta p [Pa]

Volumenstrom mittels Schwebekörperdurchflussmesser

Kreiselpumpe

Zu- bzw Abnahme der Lehrrohrgeschwindigkeit

Schüttsand

Fluidisierung hängt stark von Partikelgröße und -dichte ab – klassifiziert nach Geldart A, B, C.

A Propellerrührer

B Scheibenrührer

C Impellerrührer

1. Schlechte Durchmischung – führt zu inhomogenen Reaktionsbedingungen

2. Verminderte Wärme- und Stoffübertragung durch stagnierende Zonen

3. Erhöhte mechanische Belastung von Rührer und Behälterwänden

1. Rührerform anpassen (z. B. Schaufel- statt Propellerrührer)

2. Zusätzliche Leitbleche (Baffles) im Behälter einbauen

3. Rührerposition und -durchmesser optimieren (z. B. Abstand zu Behälterwand)

Schneckenrührer oder Wendelrührer

Ankerrührer

• Thermometer A: → Trockentemperatur (auch: Lufttemperatur) → misst die tatsächliche Temperatur der Umgebungsluft

• Thermometer B: → Feuchttemperatur (auch: nasse Kugel) → misst die Temperatur nach Verdunstungskühlung → liegt immer ≤ Trockentemperatur, außer bei 100 % rel. Luftfeuchte

Gelöste Stoffe senken den Schmelzpunkt und erhöhen den Siedepunkt von Wasser → Kolligative Eigenschaften

Für grobe Pulver > 200 μm ist die Siebanalyse die Standardmethode.

Schwingsieb

Luftstrahlsieb

Ohne Unterschiede oder ohne Bewegung – keine Entmischung!

1. Unterschiede in den Partikeleigenschaften  → z. B. Größe, Dichte, Form, Oberflächenbeschaffenheit

2. Relative Bewegung der Partikel  → z. B. durch Schütten, Fördern, Vibration oder Mischen

1. Partikelgrößenangleichung – möglichst einheitliche Korngrößen verwenden

2. Feuchte Zugabe oder Granulierung – bindet feine und grobe Partikel zusammen

3. Schonende Fördertechnik – z. B. Schwingförderer statt pneumatisch

4. Direkte Abfüllung nach dem Mischen – Entmischung durch Zwischenlagerung vermeiden

1. Aerosol

2. Emulsion

3. Suspension

4. Schaum

Die Nebelfahne endet, wenn der kondensierte Wasserdampf wieder verdunstet und sich vollständig mit der Umgebungsluft vermischt.

Siebwirkung = auf der Oberfläche

Tiefenwirkung = im Inneren des Filters.

Die Drehzahl in der Produktion soll ca. 70,7 % der Drehzahl im Technikum sein, um die gleiche Froude-Zahl (und damit das gleiche Mischverhalten) zu erreichen.

1. Kugelförmige Partikel – Die Teilchen haben eine ideale, kugelige Form.

2. Laminarer Fall (Re < 0,1) – Die Strömung um das Partikel ist laminar, d. h. geringe Reynolds-Zahl.

3. Keine Wechselwirkungen zwischen Partikeln – Einzelkornabscheidung; Partikel beeinflussen sich gegenseitig nicht.

1. Verkleinern der Tröpfchengröße → z. B. durch Homogenisieren → kleinere Tropfen = geringere Auftriebsgeschwindigkeit

2. Erhöhen der Viskosität der kontinuierlichen Phase → z. B. durch Gelbildner → hemmt Koaleszenz und Aufrahmen

3. Zugabe von Emulgatoren oder Stabilisatoren → bildet Grenzflächenschichten, reduziert Oberflächenspannung → verhindert Tropfenzusammenlagerung

Verblinden = Verstopfen des Siebes – das Sieb „sieht“ nichts mehr.

1. Kloppfer / Vibratoren → Erzeugen mechanische Impulse zur Reinigung des Siebs.

2. Ballklopfreiniger (Gummikugeln) → Springen unter dem Sieb gegen die Maschen und lösen anhaftende Partikel.

3. Ultraschallreinigung → Hochfrequente Schwingungen verhindern das Verblinden bei feinen Sieben.

4. Luft- oder Gasimpulse (Druckluftreinigung) → Blasen die Sieböffnungen frei – ideal bei trockenen, feinen Pulvern.

1. Backenbrecher – Anwendung: Grobzerkleinerung harter, spröder Materialien – Wirkprinzip: Druck und Schlag zwischen beweglicher und fester Backe

2. Kegelbrecher (auch: Kreiselbrecher) – Anwendung: Mittel- bis Feinzerkleinerung – Wirkprinzip: Druck und Scherung zwischen rotierendem Kegel und Außenwand

3. Walzenbrecher – Anwendung: Feinzerkleinerung, auch bei feuchtem oder klebrigem Material – Wirkprinzip: Druckzerkleinerung zwischen zwei gegenläufig drehenden Walzen

1. Schlagzerkleinerung → z. B. in Hammermühlen oder Prallmühlen → hohe Rotationsgeschwindigkeit, Partikel werden durch Aufprall zerkleinert

2. Scherzerkleinerung → z. B. bei Schneidmühlen → Material wird zwischen Schneiden abgeschert (besonders bei faserigen Stoffen)

3. Reibzerkleinerung → z. B. in Mörsermühlen → durch Gleitreibung zwischen zwei Flächen (für weiche oder spröde Stoffe)

1. Zertrennungsarbeit → Energie, um Bindekräfte im Feststoff zu überwinden → führt zur tatsächlichen Teilung der Partikel

2. Verformungsarbeit → Energie, um das Material elastisch oder plastisch zu verformen → ein Teil dieser Energie wird nicht zur Zerkleinerung genutzt (Verlust)

1. Feuchtigkeitsgehalt optimieren → Zu trockene oder zu feuchte Produkte erfordern mehr Energie → Ideale Feuchte reduziert Reibung und Verklumpung

2. Vorzerkleinerung in mehreren Stufen → Stufenweise Zerkleinerung (z. B. Grob- → Feinzerkleinerung) senkt den Energiebedarf

3. Geeignete Maschine und Wirkprinzip wählen → Je nach Materialeigenschaften (spröde, zäh, faserig) → z. B. Schlag statt Druck bei spröden Stoffen

4. Partikel gezielt zerkleinern (z. B. Siebunterstützung) → Vermeidet Überzerkleinerung und unnötige Energieverluste

1. Sprödigkeit wird erhöht → Viele Materialien (z. B. Kunststoffe, Gummi) werden erst bei Kälte zerkleinerbar

2. Wärmeempfindliche Stoffe werden geschont → Keine thermische Zersetzung (z. B. bei Lebensmitteln oder pharmazeutischen Produkten)

3. Agglomeration und Anhaften werden vermindert → Kein Verkleben durch Reibungshitze, bessere Fließeigenschaften

1. Vorbrechen / Grobzerkleinerung → z. B. mit einem Backenbrecher oder Hydraulikspalter → große Brocken werden in handhabbare Stücke zerlegt

2. Sprengen / Spalten → bei extrem großen Feststoffen (z. B. Gestein in der Rohstoffindustrie)

3. Manuelle Zerlegung → z. B. mit Vorschlaghammer, Meißel oder Axt bei kleinen Mengen

Pasteurisierung, Dichtedifferenz

Diffusion + Trägheit + Interzeption = Filterlücke geschlossen.

Mehr Druck, mehr Fläche, weniger Widerstand – mehr Filtrat!

Dichte Partikel = Dichte Fluid * (mp - m0)/((mfl-m0)-(mfl/mp - mp))

Beim Vergleich von Dichtewerten muss die Temperatur angegeben werden, da die Dichte temperaturabhängig ist (besonders bei Flüssigkeiten und Gasen).Die spezifische Dichte eines Feststoffs (z. B. Zucker) bleibt unverändert, da sie materialabhängig ist.Die Schüttdichte hingegen nimmt bei kleinerer Partikelgröße ab, da durch die feinere Körnung mehr Lufteinschlüsse und Porenräume zwischen den Partikeln entstehen.

Die Schüttdichte nimmt zu.

Begründung: Kleine Mengen Flüssigkeit wirken wie ein Bindemittel zwischen den Pulverpartikeln. Dadurch können sich die Partikel enger anlagern (Kapillarkräfte ziehen sie zusammen), was die Lufträume (Hohlräume) im Schüttgut verringert. → Weniger Porenvolumen → größere Packungsdichte → höhere Schüttdichte (bei gleicher Masse).

1. Schüttdichte – z. B. 500 kg/m³

2. Partikelgröße – z. B. 10–50 µm

3. Winkel der inneren Reibung – z. B. ca. 35°

4. Feuchtigkeitsgehalt – z. B. 12 % (Masseprozent)

1. Dichte – ca. 1587 kg/m³

2. Schmelzpunkt – ca. 185 °C (Zersetzung beginnt)

3. Spezifische Wärmekapazität – ca. 1,25 kJ/(kg·K)

4. Löslichkeit in Wasser (20 °C) – ca. 2110 g/L

Flotation ist ein mechanisch-physikalisches Trennverfahren, bei dem fein dispergierte Feststoffe mithilfe von Gasblasen aus einer Flüssigkeit abgetrennt werden.

Dabei haften bestimmte Partikel (z. B. hydrophobe Feststoffe) an den Gasblasen, steigen auf und bilden einen Schaum, der an der Oberfläche abgeschöpft wird.

Klärung von Getränken wie Saft oder Bier, weil aufschäumende Blasen unerwünschte Trübung oder Verlust von Produktqualität verursachen

1. Luft- oder Gaszufuhrmenge

2. Rührgeschwindigkeit

3. pH-Wert des Mediums

4. Temperatur

5. Dosierung von Flotationsmitteln (z. B. Tenside)

6. Verweilzeit im Flotationsbehälter

Eine Baktofuge ist eine Hochgeschwindigkeits-Zentrifuge zur Abtrennung von Mikroorganismen, z.B. Bakterien, aus Flüssigkeiten wie Milch oder Bier.

Thixotropie ist die zeitabhängige, reversible Abnahme der Viskosität bei Scherbeanspruchung.

Beispiele:

• Ketchup

• Tonerde-Suspension (z. B. Bentonite)

Ein Bingham-Medium ist ein nicht-newtonsches Fluid, das erst ab einer bestimmten Fließspannung (Fließgrenze) zu fließen beginnt, danach verhält es sich wie eine viskose Flüssigkeit.

Zahnpasta

Die Fließgrenze hat die Dimension Spannung und wird in Pascal (Pa) angegeben.

Tromben vermeidet man, weil sie Strömungsstörungen verursachen, die Effizienz von Reaktoren oder Rohrleitungen verringern und zu Materialverschleiß oder Schäden führen können.

1. Links (schematische Darstellung): Walzenstuhl oder Walzenmühle

2. Mitte (schematische Darstellung mit Keramikkugeln): Kugelmühle

3. Rechts (Foto): Schlagwindmühle oder Schlagmühle

1. Zerkleinerungsarbeit (gewünscht): – Diese dient der Zerkleinerung des Feststoffes, um eine größere Oberfläche oder bestimmte Korngrößenverteilungen zu erreichen.

2. Reibungsarbeit / Wärmeentwicklung (nicht gewünscht): – Dabei entsteht Wärme durch Reibung, die nicht zur Zerkleinerung beiträgt und Energieverluste verursacht. Sie kann zudem temperaturempfindliche Stoffe schädigen.

Durch Trocknen, Gefrieren oder gezielte Vorbehandlung des Produkts, um es spröder und besser zerkleinerbar zu machen.

Durch Walzen oder Mahlen unter Temperaturkontrolle, sodass das Fett schmilzt und eine Kakaomasse entsteht – keine klassische Zerkleinerung zu Pulver, da das Fett Verklumpen und Schmieren verursacht.

1. Quetschen – z. B. mit Walzen, zur groben Zerkleinerung.

2. Schneiden – z. B. mit Messern, für faserige oder weiche Materialien.

3. Prallen – durch Schlag oder Stoß, z. B. in Hammermühlen.

4. Reiben – durch Scherkräfte, z. B. bei Gewürzen oder Wurzeln.

1. Drehzahl der Mühle – beeinflusst Energieeintrag und Zerkleinerungsgrad.

2. Mahlspalt / Mahlwerkzeugeinstellung – bestimmt Partikelgröße.

3. Aufgabe- und Durchsatzmenge – beeinflusst Verweilzeit und Effizienz.

4. Temperatur – wichtig bei temperaturempfindlichen oder fetthaltigen Produkten.

5. Luft- oder Siebklassierung – zur Steuerung der Endkorngröße.

✅ Vorteile:

1. Sehr gute Produktschonung – hitzeempfindliche Stoffe bleiben stabil.

2. Hohe Endproduktqualität – Aroma, Struktur und Nährstoffe bleiben weitgehend erhalten.

❌ Nachteile:

1. Sehr energie- und zeitaufwendig.

2. Hohe Investitions- und Betriebskosten.

Abnahme des freien Wassers b) Bildung einer Trocknungskruste / Diffusionshemmung c) Sinkender Dampfdruck im Inneren des Gutes d) Wärme- und Stofftransportwiderstände steigen

1. Instantkaffee

2. Beeren (z. B. Erdbeeren, Himbeeren)

3. Fertiggerichte / Trekkingnahrung