Verfahrenstechnik für Dummies. Burkhard Lohrengel

werden durchgemischt

      Den Begriff der Mischphase haben Sie schon im vorigen Kapitel kennengelernt. Es ist eine Phase, die aus mehreren Komponenten besteht. Nun sind an verfahrenstechnischen Prozessen in der Regel aber mindesten zwei Phasen beteiligt, bei denen es sich jeweils um Mischphasen handelt. Spätestens jetzt wird Ihnen klar, dass Sie die Konzentration der Komponenten in jeder Phase kennen müssen!

Abbildung 3.1 zeigt zwei Mischphasen. Stellen Sie sich Phase 1 als Gasphase vor, dies könnte beispielsweise Luft sein. Nehmen Sie weiterhin an, in der Luft befindet sich ein Schadstoff, zum Beispiel Schwefeldioxid (SO₂). Die Luft soll an die Umwelt abgegeben werden. Dann müssen Sie aus Gründen des Umweltschutzes das Schweldioxid aus der Luft entfernen. Jetzt wählen Sie eine zweite Phase. Diese Phase ist flüssig. Sie nehmen beispielsweise Wasser, weil sich Schwefeldioxid hierin löst. Das Schwefeldioxid bewegt sich jetzt aus dem Gas in die Flüssigkeit, wo es gebunden wird. So erhalten Sie eine zweite Mischphase, die aus Wasser und Schwefeldioxid besteht.

Abbildung 3.1 Mischphasen

      An dem Beispiel sehen Sie: bei Mischphasen ist die Einführung von Konzentrationsmaßen zur Beschreibung der zwischen den Phasen ablaufenden Vorgänge unerlässlich. Sie wüssten sonst gar nicht, was mit dem Schwefeldioxid passiert. Die Konzentration an Schwefeldioxid in der Gasphase muss abnehmen, Sie wollen das Gas ja reinigen. Dadurch muss die Schwefeldioxidkonzentration in der Flüssigkeit zunehmen, hier wird das SO₂ gelöst.

      In der Praxis werden unterschiedliche Möglichkeiten verwendet, um Konzentrationen anzugeben. Die für die Verfahrenstechnik wichtigen werden Sie jetzt kennenlernen.

Wie konzentriert soll's denn sein?

      In der Verfahrenstechnik und der Chemie sind verschiedene Möglichkeiten gebräuchlich, um eine Konzentration anzugeben, die alle ihre Vor- und Nachteile besitzen.

      Molare Konzentration

      Die molare Konzentration c _i mit der Einheit mol/m³ (sehr häufig auch angegeben als mol/l) ist der Quotient aus der Stoffmenge n _i und dem Volumen V:

      (3.1)

      wobei der Index i die Komponente angibt, für die das Konzentrationsmaß ermittelt werden soll.

Bei der Entschwefelung gemäß obigem Beispiel wird das Konzentrationsmaß immer für die übergehende Komponente, das Schwefeldioxid, angegeben, da nur dieses zwischen den beiden Phasen ausgetauscht wird (i ≡ Schwefeldioxid).

      

Sie wollen eine einmolare Kochsalzlösung herstellen. Das bedeutet, dass Sie ein Mol Kochsalz (NaCl) pro Liter Wasser benötigen:

      Nun wissen Sie aus dem vorigen Kapitel, das das mit dem Mol so ein Problem ist. Wie bekommen Sie ein Mol Kochsalz in ein Liter Wasser? Es bleibt Ihnen nichts Anderes übrig, als das Kochsalz zu wiegen. Sie müssen genau so viel Gramm einwiegen, dass diese Masse einem Mol entspricht! Jetzt erinnern Sie sich wieder an das letzte Kapitel und wissen, wie die Molmasse M definiert ist:

      Wenn Sie also 58,5 g Kochsalz in 1 l Wasser geben, erhalten Sie eine einmolare Kochsalzlösung.

      Massenkonzentration

      Selbstverständlich kann auch mit der Massenkonzentration c _m,i , Einheit kg/m³, gearbeitet werden. Hier wird die Masse des Stoffs i (m _i ) auf das Volumen bezogen:

      (3.2)

      Neben den bisher besprochenen Konzentrationen besteht die Möglichkeit, den Anteil einer Komponente an der Gesamtmenge anzugeben. Die Konzentrationsangabe ist dann dimensionslos. In der Verfahrenstechnik werden dazu verwendet

       Massenanteil,

       Stoffmengenanteil und

       Volumenanteil.

      Massenanteil

Abbildung 3.2 zeigt drei Behälter mit dem gleichen Volumen V. In ihnen befinden sich drei Gase mit der gleichen Temperatur T, aber unterschiedlichen Drücken und Massen. Diese drei Gase werden in den rechten Behälter 4 mit dem gleichen Volumen V gefördert, sodass sich im Behälter 4 der neue Druck p und die neue Masse m einstellen.

Abbildung 3.2 Massenanteil

Es gilt das ideale Gasgesetz

        für Behälter 1,

        für Behälter 2 und

        für Behälter 3.

      Für Behälter 4 ergibt sich dann

        beziehungsweise

       

      Das Verhältnis m _i /m _ges wird als Massenanteil oder Massenbruch bezeichnet. Beim Massenanteil

      (3.3)

      wird die Masse m _i der betrachteten Komponente i auf die Gesamtmasse des Gemischs m _ges bezogen.

      Der Klammerausdruck

      entspricht der mittleren spezifischen Gaskonstante der Gasmischung R _Gem. Der Gesamtdruck p ist die Summe der Einzeldrücke