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Trennen Verfahrenstechnik Ein Trennverfahren nutzt die unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften von

Trennen (Verfahrenstechnik)

Ein Trennverfahren nutzt die unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften von miteinander vermischten Stoffen aus, um diese voneinander zu trennen. Das Trennen von Stoffgemischen gehört zu den wichtigsten verfahrenstechnischen Grundoperationen. Die meisten Rohstoffe und Produkte chemischer Reaktionen sind Stoffgemische. Diese müssen zur weiteren Verarbeitung getrennt werden.

In der Metallurgie wird die Stofftrennung von als Schmelze vorliegenden Metallen unter dem Fachbegriff Läuterung zusammengefasst.

Bedeutung Bearbeiten

Trennverfahren sind von großer wirtschaftlicher Bedeutung, da sie für 40–90 % des aufgewendeten Kapitals und der Betriebskosten industrieller Produktion verantwortlich sind. Als Trennverfahren werden unter anderem Waschen, Extraktion, Pressen, Trocknen, Klärung, Verdampfung, Kristallisation und Filtration genutzt. Häufig werden mehrere Trennverfahren nacheinander durchgeführt. Trennverfahren besitzen unterschiedlichen Funktionen:

  • Reinigung von Rohstoffen und Produkten sowie Abtrennung von Nebenprodukten
  • Recycling von Lösemitteln und nicht umgesetzten Reaktanten (Ausgangsmaterialien)
  • Entfernung von Verunreinigungen aus Abwasser und -luft

Einteilung Bearbeiten

Heterogene Mischungen (z. B. aus Flüssigkeit und Feststoff) können durch mechanische Trennverfahren wie Filtration oder Zentrifugation aufgetrennt werden. Homogene Mischungen können durch molekulare Trennverfahren getrennt werden. Molekulare Trennverfahren sind entweder gleichgewichtsbasiert oder geschwindigkeitsgesteuert. In gleichgewichtsbasierten Trennprozessen bilden sich zwei nicht mischbare Phasen unterschiedlicher Zusammensetzung, ein Beispiel dafür ist die Destillation (bei der Destillation besitzt der Dampf eine andere Zusammensetzung als die Flüssigkeit). Geschwindigkeitsgesteuerte Prozesse basieren auf unterschiedlichen Transportgeschwindigkeiten von Verbindungen durch ein Medium, Beispiele hierfür sind Adsorption, Ionenaustausch oder Kristallisation.

Die Auftrennung eines homogenen Gemisches in zwei Phasen kann durch ein „Energietrennmittel“ (englisch: energy separating agent), ein „Massentrennmittel“ (englisch: mass separating agent), eine Barriere oder externe Felder erfolgen. Energietrennmittel erzeugen eine zweite Phase (die sich von der ersten Phase in ihrer Zusammensetzung unterscheidet und unmischbar mit dieser ist); zu ihnen gehören die am häufigsten in der Industrie verwendeten Techniken. Zum Beispiel führt die Zugabe von Wärme (das Trennmittel) zu einer Flüssigkeit (erste Phase) zur Bildung von Dampf (zweite Phase). Massentrennmittel sind andere Chemikalien bzw. Stoffe. Sie absorbieren oder lösen eines der Produkte selektiv, sie liegen entweder in Flüssiger Form vor (zur Sorption, extraktiven Destillation oder Extraktion) oder als Feststoff (Adsorption oder Ionenaustausch). Die Verwendung einer Barriere, die nur eine der beiden Verbindungen zurückhält, nicht jedoch die andere (semipermeable Membranen) sind in ihrer Anwendung weniger häufig; externe Felder werden nur in Spezialanwendungen eingesetzt.

Thermische Trennverfahren Bearbeiten

Thermische Trennverfahren sind alle Trennverfahren, die auf der Einstellung eines thermodynamischen Phasengleichgewichtes beruhen. Im Wesentlichen gibt es drei verschiedene Trennprozesse.

Trennung aufgrund des Siedepunktes Bearbeiten

  1. Bei der Rektifikation und der Destillation stellt sich ein Gleichgewicht zwischen einer Flüssigphase und einer Dampfphase (oder Gasphase) ein. Die Trennung erfolgt hierbei durch wiederholtes Verdampfen und Kondensieren. Dieses Verfahren funktioniert gut bei Komponenten mit stark unterschiedlichen Siedepunkten, scheitert aber bei azeotropen Systemen. Verfahren, die zur Trennung azeotroper Gemische verwendet werden, sind beispielsweise
  2. Bei der Trocknung stellt sich ein Verteilungsgleichgewicht zwischen einer Flüssigkeit und einem Feststoff und der Gasphase ein. Die Trocknung ist eins der häufigsten thermischen Trennverfahren.
  3. Beim Strippen werden Stoffe (beispielsweise Feuchte) aus einer flüssigen Phase durch Desorptionsvorgänge in die Gasphase überführt. Dazu wird die Flüssigphase im Gegenstromprinzip mit einem Gas in Kontakt gebracht (zur Trocknung mit einem trockenen Gas, das Wasserdampf aufnehmen kann).
  4. Brennen, mit dem Ziel Stoffeigenschaften zu ändern.

Trennung aufgrund des Gefrierpunktes Bearbeiten

  1. Beim Ausfrieren wird ein Stoff aus einer Lösung durch Kühlen abgeschieden. Dieses Verfahren wird bei Komponenten mit stark unterschiedlichen Gefrierpunkten und teilweise zur Trennung von azeotrop siedenden Systemen eingesetzt. In der Verfahrenstechnik wird Ausfrieren wegen des Übergangs in einen Festkörper als Kristallisation bezeichnet. Es wird zwischen statischer (diskontinuierlich) und dynamischer (kontinuierlich) Kristallisation unterschieden.

Trennung durch Sublimation Bearbeiten

  1. Bei der Sublimation geht ein Feststoff direkt vom festen Aggregatzustand in den gasförmigen Aggregatzustand über. Anschließend scheidet sich der sublimierte Stoff an einer gekühlten Fläche im festen Aggregatzustand ab. Wenn der Sublimationsdampfdruck der Verunreinigung sich genügend vom zu gewinnenden Wertstoff unterscheidet, ist dieses selten eingesetzte thermische Trennverfahren effektiv. Die Sublimationsmethodik findet meist im Labormaßstab Anwendung. Eine Maßstabsvergrößerung (scaling up) in technisch und wirtschaftlich relevante Größenordnungen ist zum Beispiel die Gefriertrocknung.

Trennung aufgrund der Löslichkeit Bearbeiten

Die Löslichkeit ist eine Stoffeigenschaft die mitunter mit weiteren Trenneffekten verbunden ist.

  • Chromatografie, hierbei sind außer der Löslichkeit andere Phänomene wie beispielsweise die Adsorption am Trenneffekt beteiligt.
  • Waschen
  • Bei der Extraktion stellt sich ein Verteilungsgleichgewicht zwischen zwei Phasen ein. Hierbei wird der Wertstoff mit einem Schleppmittel, der den Wertstoff gut löst, jedoch möglichst keine der anderen Beimengungen, aus einem Gemisch extrahiert. Der Wertstoff muss anschließend vom Schleppmittel getrennt werden. Neben dieser Flüssig-Flüssig-Extraktion gibt es auch noch
  • Bei der Absorption und der Gaswäsche stellt sich ein Gleichgewicht auf Grund der Gaslöslichkeit zwischen einer Flüssigkeit und dem Gas ein.
  • Bei der Adsorption stellt sich ein Adsorptionsgleichgewicht zwischen einer Festkörperoberfläche und einer Gas- oder Flüssigphase ein.
  • Eluieren ist das Ab- oder Herauslösen von Substanzen aus einer stationären Phase, die sowohl aus festem als auch aus flüssigem Material bestehen kann.

Mechanische Trennverfahren Bearbeiten

Die mechanischen Trennverfahren nutzen Unterschiede der mechanischen Eigenschaften der Bestandteile. Das können auch visuelle oder optische reflektorische Merkmale sein.

  • Klauben durch gezieltes Entnehmen
  • Sortierung durch Trennen der Gesamtmenge
  • Aussondern durch Luftstoß z. B. von Kaffeebohnen nach Röstfarbe bei „Stinkbohnen“ hohen Ölgehalts

Trennung aufgrund der Oberflächenbenetzbarkeit Bearbeiten

  • Flotation ist ein Trennverfahren, bei dem feinkörnige Feststoffgemenge in einer wässrigen Aufschlämmung (Suspension) mit Hilfe von Luftblasen aufgrund der unterschiedlichen Oberflächenbenetzbarkeit der Partikel separiert werden.

Trennung aufgrund der Dichte Bearbeiten

Verschiedene Methoden nutzen Dichteunterschiede zum Trennen von Stoffgemischen:

Die Trennung von dispersen Feststoffgemischen in mehrere Fraktionen wird auch als Klassieren bezeichnet. Verfahren zum Stromklassieren nach Dichte sind etwa das Windsichten und das Schwimm-/Sink-Verfahren.

Trennung aufgrund der Partikelgröße Bearbeiten

Trennung aufgrund der Partikelträgheit Bearbeiten

Bei Einsatz von Bewegungen kann die Massenträgheit der Partikel zum Trennen genutzt werden.

  • Fliehkraftabscheider (Zyklon)
  • Impaktor
  • Strahlumlenksichter
  • Freiflugtrennung von Schrott verschiedener Metalle als partielle Separation durch Trennen nach Massenträgheit im Verhältnis zur Querschnittsfläche

Trennung aufgrund der Magnetisierbarkeit Bearbeiten

Bei den magnetischen Stoffeigenschaften wird die Magnetisierbarkeit genutzt.

Trennung aufgrund der elektrischen Beweglichkeit Bearbeiten

Trennung als Folge von chemischen Reaktionen Bearbeiten

Durch den Ablauf von Reaktionen werden die physikalischen Eigenschaften verändert, was wiederum zur Trennung genutzt werden kann.

Beim Zonenschmelzverfahren zur Gewinnung hochreiner Einkristalle oder Metalle wird ausgenutzt, dass Verunreinigungen in der Schmelze eine energetisch günstigere chemische Umgebung (niedrigeres chemisches Potential) haben als im Festkörper und darum vom Festkörper in die Schmelze wandern.

Literatur Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. ↑ André B. de Haan, Hans Bosch: Industrial separation processes: fundamentals. De Gruyter, Berlin 2013, ISBN 978-3-11-030669-9.
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Veröffentlichungsdatum:
Ein Trennverfahren nutzt die unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften von miteinander vermischten Stoffen aus um diese voneinander zu trennen Das Trennen von Stoffgemischen gehort zu den wichtigsten verfahrenstechnischen Grundoperationen Die meisten Rohstoffe und Produkte chemischer Reaktionen sind Stoffgemische Diese mussen zur weiteren Verarbeitung getrennt werden In der Metallurgie wird die Stofftrennung von als Schmelze vorliegenden Metallen unter dem Fachbegriff Lauterung zusammengefasst Inhaltsverzeichnis 1 Bedeutung 2 Einteilung 3 Thermische Trennverfahren 3 1 Trennung aufgrund des Siedepunktes 3 2 Trennung aufgrund des Gefrierpunktes 3 3 Trennung durch Sublimation 3 4 Trennung aufgrund der Loslichkeit 4 Mechanische Trennverfahren 4 1 Trennung aufgrund der Oberflachenbenetzbarkeit 4 2 Trennung aufgrund der Dichte 4 3 Trennung aufgrund der Partikelgrosse 4 4 Trennung aufgrund der Partikeltragheit 4 5 Trennung aufgrund der Magnetisierbarkeit 4 6 Trennung aufgrund der elektrischen Beweglichkeit 5 Trennung als Folge von chemischen Reaktionen 6 Literatur 7 EinzelnachweiseBedeutung BearbeitenTrennverfahren sind von grosser wirtschaftlicher Bedeutung da sie fur 40 90 des aufgewendeten Kapitals und der Betriebskosten industrieller Produktion verantwortlich sind Als Trennverfahren werden unter anderem Waschen Extraktion Pressen Trocknen Klarung Verdampfung Kristallisation und Filtration genutzt Haufig werden mehrere Trennverfahren nacheinander durchgefuhrt Trennverfahren besitzen unterschiedlichen Funktionen 1 Reinigung von Rohstoffen und Produkten sowie Abtrennung von Nebenprodukten Recycling von Losemitteln und nicht umgesetzten Reaktanten Ausgangsmaterialien Entfernung von Verunreinigungen aus Abwasser und luftEinteilung BearbeitenHeterogene Mischungen z B aus Flussigkeit und Feststoff konnen durch mechanische Trennverfahren wie Filtration oder Zentrifugation aufgetrennt werden Homogene Mischungen konnen durch molekulare Trennverfahren getrennt werden Molekulare Trennverfahren sind entweder gleichgewichtsbasiert oder geschwindigkeitsgesteuert In gleichgewichtsbasierten Trennprozessen bilden sich zwei nicht mischbare Phasen unterschiedlicher Zusammensetzung ein Beispiel dafur ist die Destillation bei der Destillation besitzt der Dampf eine andere Zusammensetzung als die Flussigkeit Geschwindigkeitsgesteuerte Prozesse basieren auf unterschiedlichen Transportgeschwindigkeiten von Verbindungen durch ein Medium Beispiele hierfur sind Adsorption Ionenaustausch oder Kristallisation 1 Die Auftrennung eines homogenen Gemisches in zwei Phasen kann durch ein Energietrennmittel englisch energy separating agent ein Massentrennmittel englisch mass separating agent eine Barriere oder externe Felder erfolgen Energietrennmittel erzeugen eine zweite Phase die sich von der ersten Phase in ihrer Zusammensetzung unterscheidet und unmischbar mit dieser ist zu ihnen gehoren die am haufigsten in der Industrie verwendeten Techniken Zum Beispiel fuhrt die Zugabe von Warme das Trennmittel zu einer Flussigkeit erste Phase zur Bildung von Dampf zweite Phase Massentrennmittel sind andere Chemikalien bzw Stoffe Sie absorbieren oder losen eines der Produkte selektiv sie liegen entweder in Flussiger Form vor zur Sorption extraktiven Destillation oder Extraktion oder als Feststoff Adsorption oder Ionenaustausch Die Verwendung einer Barriere die nur eine der beiden Verbindungen zuruckhalt nicht jedoch die andere semipermeable Membranen sind in ihrer Anwendung weniger haufig externe Felder werden nur in Spezialanwendungen eingesetzt 1 Thermische Trennverfahren BearbeitenThermische Trennverfahren sind alle Trennverfahren die auf der Einstellung eines thermodynamischen Phasengleichgewichtes beruhen Im Wesentlichen gibt es drei verschiedene Trennprozesse Trennung aufgrund des Siedepunktes Bearbeiten Bei der Rektifikation und der Destillation stellt sich ein Gleichgewicht zwischen einer Flussigphase und einer Dampfphase oder Gasphase ein Die Trennung erfolgt hierbei durch wiederholtes Verdampfen und Kondensieren Dieses Verfahren funktioniert gut bei Komponenten mit stark unterschiedlichen Siedepunkten scheitert aber bei azeotropen Systemen Verfahren die zur Trennung azeotroper Gemische verwendet werden sind beispielsweise das Zweidruckverfahren die Extraktivrektifikation die Azeotroprektifikation Bei der Trocknung stellt sich ein Verteilungsgleichgewicht zwischen einer Flussigkeit und einem Feststoff und der Gasphase ein Die Trocknung ist eins der haufigsten thermischen Trennverfahren Beim Strippen werden Stoffe beispielsweise Feuchte aus einer flussigen Phase durch Desorptionsvorgange in die Gasphase uberfuhrt Dazu wird die Flussigphase im Gegenstromprinzip mit einem Gas in Kontakt gebracht zur Trocknung mit einem trockenen Gas das Wasserdampf aufnehmen kann Brennen mit dem Ziel Stoffeigenschaften zu andern Trennung aufgrund des Gefrierpunktes Bearbeiten Beim Ausfrieren wird ein Stoff aus einer Losung durch Kuhlen abgeschieden Dieses Verfahren wird bei Komponenten mit stark unterschiedlichen Gefrierpunkten und teilweise zur Trennung von azeotrop siedenden Systemen eingesetzt In der Verfahrenstechnik wird Ausfrieren wegen des Ubergangs in einen Festkorper als Kristallisation bezeichnet Es wird zwischen statischer diskontinuierlich und dynamischer kontinuierlich Kristallisation unterschieden Trennung durch Sublimation Bearbeiten Bei der Sublimation geht ein Feststoff direkt vom festen Aggregatzustand in den gasformigen Aggregatzustand uber Anschliessend scheidet sich der sublimierte Stoff an einer gekuhlten Flache im festen Aggregatzustand ab Wenn der Sublimationsdampfdruck der Verunreinigung sich genugend vom zu gewinnenden Wertstoff unterscheidet ist dieses selten eingesetzte thermische Trennverfahren effektiv Die Sublimationsmethodik findet meist im Labormassstab Anwendung Eine Massstabsvergrosserung scaling up in technisch und wirtschaftlich relevante Grossenordnungen ist zum Beispiel die Gefriertrocknung Trennung aufgrund der Loslichkeit Bearbeiten Die Loslichkeit ist eine Stoffeigenschaft die mitunter mit weiteren Trenneffekten verbunden ist Chromatografie hierbei sind ausser der Loslichkeit andere Phanomene wie beispielsweise die Adsorption am Trenneffekt beteiligt Waschen Bei der Extraktion stellt sich ein Verteilungsgleichgewicht zwischen zwei Phasen ein Hierbei wird der Wertstoff mit einem Schleppmittel der den Wertstoff gut lost jedoch moglichst keine der anderen Beimengungen aus einem Gemisch extrahiert Der Wertstoff muss anschliessend vom Schleppmittel getrennt werden Neben dieser Flussig Flussig Extraktion gibt es auch noch Pervaporation kontinuierliche Extraktion Feststoffextraktion Bei der Absorption und der Gaswasche stellt sich ein Gleichgewicht auf Grund der Gasloslichkeit zwischen einer Flussigkeit und dem Gas ein Bei der Adsorption stellt sich ein Adsorptionsgleichgewicht zwischen einer Festkorperoberflache und einer Gas oder Flussigphase ein Eluieren ist das Ab oder Herauslosen von Substanzen aus einer stationaren Phase die sowohl aus festem als auch aus flussigem Material bestehen kann Mechanische Trennverfahren BearbeitenDie mechanischen Trennverfahren nutzen Unterschiede der mechanischen Eigenschaften der Bestandteile Das konnen auch visuelle oder optische reflektorische Merkmale sein Klauben durch gezieltes Entnehmen Sortierung durch Trennen der Gesamtmenge Aussondern durch Luftstoss z B von Kaffeebohnen nach Rostfarbe bei Stinkbohnen hohen OlgehaltsTrennung aufgrund der Oberflachenbenetzbarkeit Bearbeiten Flotation ist ein Trennverfahren bei dem feinkornige Feststoffgemenge in einer wassrigen Aufschlammung Suspension mit Hilfe von Luftblasen aufgrund der unterschiedlichen Oberflachenbenetzbarkeit der Partikel separiert werden Trennung aufgrund der Dichte Bearbeiten Verschiedene Methoden nutzen Dichteunterschiede zum Trennen von Stoffgemischen Sedimentation Dekantation und Abscheiden Zentrifugation Schwertrubetrennung Schlammung ist ein mechanisches Trennverfahren zur quantitativen Bestimmung des Feinkornanteils einer Sedimentprobe Dispersitatsanalyse Die Trennung von dispersen Feststoffgemischen in mehrere Fraktionen wird auch als Klassieren bezeichnet Verfahren zum Stromklassieren nach Dichte sind etwa das Windsichten und das Schwimm Sink Verfahren Trennung aufgrund der Partikelgrosse Bearbeiten Filtration im Besonderen das Abnutschen mit Unterdruck Rechen Sieben ist ein mechanisches Trennverfahren zur Grossentrennung Klassieren in mehrere Fraktionen von Schuttgutern Sichten erfolgt durch Plansichter oder auch Windsichten Membrantrennverfahren UmkehrosmoseTrennung aufgrund der Partikeltragheit Bearbeiten Bei Einsatz von Bewegungen kann die Massentragheit der Partikel zum Trennen genutzt werden Fliehkraftabscheider Zyklon Impaktor Strahlumlenksichter Freiflugtrennung von Schrott verschiedener Metalle als partielle Separation durch Trennen nach Massentragheit im Verhaltnis zur QuerschnittsflacheTrennung aufgrund der Magnetisierbarkeit Bearbeiten Bei den magnetischen Stoffeigenschaften wird die Magnetisierbarkeit genutzt Magnettrennung WirbelstromtrennungTrennung aufgrund der elektrischen Beweglichkeit Bearbeiten elektrostatische StaubabscheiderTrennung als Folge von chemischen Reaktionen BearbeitenDurch den Ablauf von Reaktionen werden die physikalischen Eigenschaften verandert was wiederum zur Trennung genutzt werden kann Atzung mit Salpetersaure Scheidewasser Elektrolyse ist ein Prozess bei dem der elektrische Strom eine chemische Reaktion erzwingt Elektrophorese Gelelektrophorese Fallung Ionenaustausch Enzymmembranverfahren zur Trennung bestimmter Racemate Rosten Metallurgie Saigerverfahren KupellationBeim Zonenschmelzverfahren zur Gewinnung hochreiner Einkristalle oder Metalle wird ausgenutzt dass Verunreinigungen in der Schmelze eine energetisch gunstigere chemische Umgebung niedrigeres chemisches Potential haben als im Festkorper und darum vom Festkorper in die Schmelze wandern Literatur Bearbeitendechema Autorenkollektiv Selektive Trenntechniken Frankfurt Main 2008 PDF Datei abgerufen am 31 Mai 2012Einzelnachweise Bearbeiten a b c Andre B de Haan Hans Bosch Industrial separation processes fundamentals De Gruyter Berlin 2013 ISBN 978 3 11 030669 9 Normdaten Sachbegriff GND 4078395 9 lobid OGND AKS Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Trennen Verfahrenstechnik amp oldid 234268997