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1 ALLGEMEINE ANZEICHEN VON MASSENTRANSFERPROZESSEN
Stofftransport- oder Diffusionsprozesse sind mit dem Übergang von Komponenten von einer Phase in eine andere mit dem Zweck ihrer Trennung verbunden.
Alle Stoffübergangsprozesse weisen eine Reihe gemeinsamer Merkmale auf.
Sie dienen der Trennung von Stoffgemischen.
Jeder Prozess umfasst mindestens zwei Phasen: Flüssigkeit und Dampf (Destillation und Rektifikation), Flüssigkeit und Gas (Absorption), Feststoff und Dampf-Gas (Adsorption), Feststoff und Flüssigkeit (Adsorption, Extraktion), zwei Flüssigkeiten (Extraktion).
Der Übergang eines Stoffes von einer Phase in eine andere erfolgt durch Diffusion.
Die treibende Kraft hinter Stoffübergangsprozessen ist der Konzentrationsunterschied bzw. Konzentrationsgradient. Der Prozess verläuft in Richtung der Phase, in der die Konzentration der Komponente geringer ist.
Der Übergang eines Stoffes von einer Phase in eine andere erfolgt über die Phasengrenze, an der ein Zustand des Phasengleichgewichts angenommen wird.
Diffusionsprozesse sind reversibel, d.h. Die Richtung des Prozesses wird durch die Gesetze des Phasengleichgewichts bestimmt.
Der Gleichgewichtszustand ist so zu verstehen, dass der Austausch zwischen den Phasen nicht aufhört, sondern die Übergangsgeschwindigkeiten der Komponenten von einer Phase zur anderen ausgeglichen werden.
Klassifizierung von Stoffübergangsprozessen
| Phasenquelle |
||||
| Phasenempfänger | G | UND | T |
|
G | Membran Prozesse | Destillationsrektifikation Desorption I | Desorption II |
|
UND | Absorption | Extraktion | Desorption II |
|
T | Adsorption | Phasenübergang 2. Ordnung |
||
Berichtigung- der Prozess des mehrfachen Gegenstromkontaktierens von gegenläufigen Nichtgleichgewichtsströmen von Dampf und Flüssigkeit, um flüssige homogene Gemische in Fraktionen aufzutrennen.
Absorption– der Prozess der selektiven Absorption der Bestandteile eines Gasgemisches durch einen Flüssigkeitsabsorber – Absorptionsmittel.
Extraktion- der Prozess der selektiven Extraktion von Komponenten aus einer flüssigen Mischung (oder aus einem Feststoff) mit einem flüssigen Extraktionsmittel.
Adsorption– der Prozess der selektiven Absorption der Bestandteile eines Gas- oder Flüssigkeitsgemisches durch ein festes Absorptionsmittel – Adsorptionsmittel.
Beim Trocknen wird Flüssigkeit (Feuchtigkeit) aus festen Materialien entfernt
Unter Membranverfahren versteht man die selektive Extraktion von Gemischbestandteilen bzw. deren Konzentration mittels einer semipermeablen Trennmembran.
Grundlegende Stoffübergangsgleichung
Die Geschwindigkeit des Materieübergangs von einer Phase in eine andere dm ist proportional zur treibenden Kraft des Prozesses D, die den Grad der Abweichung von Systemen vom Gleichgewichtszustand charakterisiert, und der Phasenkontaktfläche dF. Somit:
wobei K der Stoffübergangskoeffizient ist (ähnlich der Wärmeübertragung).
Der Stoffübergangskoeffizient charakterisiert die Masse eines Stoffes, die pro Zeiteinheit durch eine Einheitsphasenkontaktfläche von einer Phase in eine andere übertragen wird, wobei die treibende Kraft des Prozesses gleich eins ist.
Der Stoffübergangskoeffizient spiegelt den Grad der Prozessintensivierung wider: Je größer der Wert von K, desto kleiner ist die Größe des Apparats, der zum Transfer einer bestimmten Stoffmenge erforderlich ist. Gleichzeitig sollte man die Größe der Phasenkontaktfläche beeinflussen und deren maximale Entwicklung und Erneuerung pro Volumeneinheit des Gerätes anstreben. Den größten Einfluss auf die Intensität des Stofftransports haben hydrodynamische und konstruktive Faktoren.
3. ANWENDUNG DER GIBBS-PHASE-REGEL AUF MASSENTRANSFERPROZESSE
Im Gleichgewicht müssen Druck und Temperatur in allen Teilen des Systems konstant sein, sonst kommt es zu Stoff- und Wärmeübertragungsprozessen.
Für Gleichgewichtssysteme ist die Gibbs-Phasenregel erfüllt, die die Abhängigkeit der Anzahl der Freiheitsgrade (N) festlegt.
wobei N die Anzahl der Freiheitsgrade des Systems ist; ZU- Anzahl der Komponenten; F- Anzahl der Phasen.
Die Anzahl der Freiheitsgrade eines Systems ist die Anzahl der unabhängigen Variablen (Temperatur, Druck, Konzentration der Komponenten), die innerhalb bestimmter Grenzen beliebig verändert werden können, ohne das Gleichgewicht des Systems zu verändern.
In einem Gleichgewichtssystem (N = 0) kann die Anzahl der gleichzeitig existierenden Phasen nicht mehr als Ф=К+2 betragen.
Bei Zweiphasensystemen ist die Anzahl der Freiheitsgrade des Systems gleich der Anzahl der Komponenten (N = K). Der Schwerpunkt des Kurses liegt auf Zweiphasensystemen.
Binäre Mischung K=2, N=2, man kann die Temperatur und Konzentration ändern, bei konstantem Außendruck. Die Vorrichtung muss einen Gradienten von t und x bei konstantem π haben.
Für Mehrkomponentensysteme (Öl) K→∞ und N→∞ kann daher für Mehrkomponentensysteme (typisch für die Ölraffinierung) die Anzahl der Freiheitsgrade sehr groß sein.
Masse, molare und volumetrische Zusammensetzung
Der Massenanteil einer Komponente wird durch das Verhältnis der Masse dieser Komponente zur Masse der gesamten Mischung bestimmt
(1)
Wenn man bedenkt, dass die Gesamtmasse der Mischung gleich der Summe der Massen der einzelnen Komponenten der Mischung ist, d.h.
du kannst schreiben
diese. die Summe der Massenanteile aller Bestandteile der Mischung ist gleich Eins
Der Molenbruch einer beliebigen Komponente einer Mischung ist definiert als das Verhältnis der Molzahl dieser Komponente zur Gesamtmolzahl der Mischung
(4)
Wo N ich Die Anzahl der Mol wird durch die folgende Beziehung bestimmt:
(5)
Der Volumenanteil einer Komponente in einer Mischung ist gleich dem Verhältnis des Volumens dieser Komponente zum Volumen der gesamten Mischung
(7)
(8)
Volumenanteile werden in Fällen verwendet, in denen sich das Volumen der Komponenten beim Mischen nicht ändert.
Zur gegenseitigen Neuberechnung von Masse und Stoffmengenanteil werden folgende Verhältnisse verwendet:
(9)
(10)
Verwenden Sie bei der Umrechnung volumetrischer Konzentrationen in Massen- oder Molkonzentrationen (z. B. bei der Umrechnung von in Volumenanteilen dargestellten Beschleunigungskurven) die entsprechenden Berechnungsformeln:
( 11)
wobei ρ cm die durchschnittliche Dichte der Mischung ist.
L 2
4 WESENTLICHES DES BERICHTIGUNGSPROZESSES
Es gibt verschiedene Ansätze und Methoden zur Konkretisierung der Technologie der Destillation und Rektifikation sowie der Grundsätze für die Wahl des Designs einer Apparatur zur Trennung eines binären Gemisches.
Betrachten Sie als Beispiel die Trennung einer binären Mischung aus Benzol und Toluol. Die Zusammensetzung und Eigenschaften der Komponenten der Ausgangsmischung sind bekannt. Lassen Sie uns eine Reihe von Experimenten durchführen. Geben wir eine Flüssigkeit mit einer bekannten Zusammensetzung (40 % Benzol und 60 % Toluol) in einen Destillationskolben (Abbildung 4.1), und aus dieser Mischung muss ein Kondensat mit einer Zusammensetzung aus 99,9 % Benzol und 0,01 % Toluol erhalten werden.
Nach allmählicher Verdampfung und Kondensation (Abbildung 4.1) bestimmen wir die Zusammensetzung des Kondensats, es stellte sich heraus, dass es zu 85 % aus Benzol und zu 15 % aus Toluol bestand. Diese. Bei allmählicher Verdampfung wird kein ausreichend guter Grad der Komponententrennung erreicht. Dieses Design ist in der Praxis nicht akzeptabel.
Das Prinzip der einmaligen Verdampfung (Kondensation) wird in einem Hohlapparat umgesetzt, der als Gasabscheider oder Dampfabscheider bezeichnet wird (Abbildung 4.1). Die resultierende Kondensatzusammensetzung ist inakzeptabel (65 % Benzol und 35 % Toluol), aber die Konstruktion des Apparats ist mehr erfolgreich im Vergleich zum Vorgängergerät.
Wiederholen wir die Prozesse der einzelnen Verdampfung und Kondensation mehrmals und installieren wir eine Reihe solcher Geräte (Abbildung 4.1). In diesem Fall werden die gewünschten Zusammensetzungen der Dampf- und Flüssigkeitsphase erreicht, die Masse des Kondensats ist jedoch im Vergleich zur Masse der Ausgangsmischung unbedeutend. Außerdem erfordert diese Technologie sperrigere und teurere Hardware.
Alle bisherigen Nachteile werden in einer Vorrichtung umgesetzt, die Prozesse der mehrfachen Verdampfung und Kondensation auf jeder Kontaktstufe, sogenannte Böden, umfasst. Auf jedem Boden der Kolonne kommt es zu Kontakt zwischen den auf diesem Boden aufsteigenden Dämpfen und der auf diesen Boden fließenden Flüssigkeit (Abbildung 4.2).
Offensichtlich kommt es bei einem Konzentrations- und Temperaturgradienten zu einer Änderung der Zusammensetzung der Phasen. Da der Druck in der Kolonne konstant ist, ist diese Bedingung erfüllt, wenn die Temperatur des Flüssigkeitsstroms niedriger als die Temperatur des Dampfes ist. Die niedrigste Temperatur sollte am Kopf der Säule und die höchste am Boden der Säule herrschen. Wenn diese Ströme in Kontakt kommen, stellt sich die Zusammensetzung der Phasen ins Gleichgewicht. Der untere Teil der Kolonne benötigt Wärmezufuhr und der obere Teil benötigt Kühlung.
Das Kontaktieren der Gegenströme der Phasen wird durchgeführt, bis die gewünschte Zusammensetzung der Kolonnenprodukte erreicht ist. Dieser Vorgang wird als Rektifikation bezeichnet, die Kolonne als Destillationskolonne. Der obere Teil dient der Konzentration oder Verstärkung und der untere Teil dient der Destillation oder Erschöpfung; der Ort, an dem die Rohstoffe in die Kolonne eingeführt werden, wird als Einspeisungsabschnitt bezeichnet.
Abb.4.1. Hauptarten von Verdampfungs- und Kondensationsprozessen:
I-Verdampfungsprozesse; a-allmählich; b - Single (Betriebssystem); in-multiple;
II- Kondensationsprozesse; a - allmählich; D- Single (OK); V -
mehrere; 1, 1" - Verdampfer; 2, 2" ~
Kondensator; 3
- Empfänger; 4, 4" -
Verdampfer; 5 , 5" -
Trenngefäß (Separator).
Je nach Verwendungszweck können die Kolonnen vollständig sein und über einen Konzentrations- und Abtriebsabschnitt verfügen, oder unvollständig: Die Verstärkungskolonne verfügt über keinen Abtriebsabschnitt und die Abtriebskolonne über keinen Konzentrationsabschnitt. Darüber hinaus gibt es einfache und komplexe Spalten. In einer einfachen Spalte sind die Rohstoffe in zwei Produkte unterteilt, und in einer komplexen Spalte beträgt die Anzahl der ausgewählten Produkte mehr als zwei.
Somit ist die Konstruktion der Vorrichtung zur Trennung eines binären Gemisches gerechtfertigt und es muss durch Berechnungsmethoden nachgewiesen werden, dass diese Vorrichtung akzeptabel ist.
NEIN
Abb.4.2. Schema einer Destillationskolonne.
5 ISOBAR-TEMPERATURKURVEN
Konstruieren wir Isobaren von Flüssigkeit und Dampf (bei konstantem Druck). Die Abszissenachse zeigt die Konzentrationen der flüssigen und dampfförmigen Phase und die Ordinatenachse zeigt die Temperatur (Abbildung 7.1, untere Kurven). Das Ergebnis sind zwei Kurven, die zwei gemeinsame Punkte haben: den Punkt A bei, entsprechend dem Siedepunkt von Benzol und Punkt IN bei, entsprechend dem Siedepunkt von Toluol. Kurve AA 1
A 2
IN, Der bestimmende Zusammenhang zwischen der Temperatur des Systems und der Zusammensetzung der flüssigen Phase wird Siedelinie genannt. Kurve AB 1
IN 2
IN, die den Zusammenhang zwischen der Temperatur des Systems und der Zusammensetzung der Dampfphase bestimmt, wird als Kondensations- oder Sattdampflinie bezeichnet.
Flüssigkeitsdämpfe können gesättigt und überhitzt sein. Dampf, der mit Flüssigkeit im Gleichgewicht steht, wird als gesättigt bezeichnet. Je höher die Temperatur, desto höher ist der Druck, bei dem sich dieses Gleichgewichtssystem befindet. Bei gesättigten Dämpfen besteht ein klarer Zusammenhang zwischen Dampfdruck und Temperatur. Ungesättigte (überhitzte) Dämpfe sind solche, die bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck ein einphasiges System bilden. Es gibt keine flüssige Phase.
Die Gleichgewichtsdampf- und Flüssigkeitsphasen haben die gleiche Temperatur und daher werden die Gleichgewichtszusammensetzungen der Phasen auf isobaren Temperaturkurven durch die Schnittpunkte der Horizontalen mit den Siede- und Kondensationslinien bestimmt, die als Konoden bezeichnet werden (z Beispiel A 1 IN 1 ).
Der Bereich des Diagramms, der unter der Kurve liegt AA 1 A 2 IN, entspricht einer nicht siedenden Flüssigkeit (Punkt F).Die Fläche des Diagramms über der Kondensationskurve AB 1 IN 2 IN, entspricht überhitzten Dämpfen (Punkt E).
Jeder zwischen Kondensations- und Siedekurve liegende Punkt, beispielsweise Punkt C, charakterisiert ein Zweiphasensystem (Dampf-Flüssigkeit).
5.2 Raoult-Dalton-Gesetz
Isobare Kurven können sowohl experimentell als auch rechnerisch konstruiert werden.
Punkt A 1 Auf der Siedekurve einer Flüssigkeit kann mithilfe des Raoultschen Gesetzes ermittelt werden. Komponentenpartialdruck P ich einer idealen Lösung ist gleich dem Produkt des Sättigungsdampfdrucks P ich bei einer gegebenen Temperatur von der molaren Konzentration der Komponente in der flüssigen Phase X':
(20)
Der Sättigungsdampfdruck jeder Komponente wird anhand empirischer Formeln berechnet. Zum Beispiel nach der Formel von Antoine
(21)
Wo A, B, C- Konstanten, die von den Eigenschaften des Stoffes abhängen und experimentell bestimmt werden;
t - Temperatur.
Es ist bekannt, dass eine Flüssigkeit bei einer Temperatur zu sieden beginnt, bei der der Druck ihres gesättigten Dampfes dem Außendruck entspricht.
Zustand kochender Flüssigkeit:
- die Gleichung der unteren Isobare erhalten. (23)
Nach dem Daltonschen Gesetz ist der Partialdruck einer Komponente eines Gasgemisches gleich dem Produkt aus dem Druck im System und dem Molenbruch der Komponente im Gasgemisch
(24)
Im Gleichgewicht ist der Druck an allen Punkten des Systems gleich. Kombiniertes Raoult-Dalton-Gesetz
P ich =P B X' ich = P y' ich . (25)
, ist die Gleichung der oberen Isobare (26).
Folglich werden die Gleichgewichtszusammensetzungen der Dampf- und Flüssigphasen angesichts der Temperatur und des Drucks des Systems eindeutig durch die Drücke der gesättigten Dämpfe der Gemischkomponenten bestimmt.
6 GLEICHUNG UND GLEICHGEWICHTSKURVE BINÄRER MISCHPHASEN
Kompositionen X' Und du Die Gleichgewichtsflüssigkeits- und Dampfphasen für ein binäres Gemisch können bei einem gegebenen Systemdruck grafisch dargestellt werden (Abbildung 6.1). Das Raoult-Dalton-Gesetz kann wie folgt dargestellt werden:
Für niedrigsiedende Komponente: 
, (29)
Für hochsiedende Komponente:
(30)
Teilen wir die Gleichung durch die Gleichung, bezeichnen P 1
/P 2
=
A- relative Elastizität
(31)
Die Phasengleichgewichtsgleichung ist eine Hyperbel, die durch den Koordinatenursprung (Abb. 4.2) des Diagramms verläuft X' - du(Punkt 0 und Punkt A mit Koordinaten X' = y' = 1).
Der relative Volatilitätskoeffizient steigt mit abnehmendem Druck.
Abbildung 6.1 Gleichgewichtskurve
7 Enthalpiediagramm
Zur Analyse und Berechnung der Prozesse der Destillation und Rektifikation werden Enthalpiediagramme verwendet, die den Zusammenhang zwischen den Zusammensetzungen der flüssigen und dampfförmigen Phasen und deren Enthalpien darstellen.
Die Enthalpie (oder der Wärmeinhalt) einer Flüssigkeit entspricht der Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Flüssigkeit von 0 °C auf eine bestimmte Temperatur zu erhitzen. Die Dampfenthalpie ist gleich der Wärmemenge, die erforderlich ist, um einen Stoff von 0 °C auf eine bestimmte Temperatur zu erhitzen, wobei die Verdampfungswärme und die Überhitzung des Dampfs berücksichtigt werden.
Der Enthalpiewert wird empirisch anhand von Tabellen oder Näherungsformeln ermittelt:
(27)
(28)
Enthalpiediagramme werden bei Berechnungen der Destillation und Rektifikation verwendet, wenn Stoff- und Wärmeströme gleichzeitig berücksichtigt werden müssen.
Das Enthalpiediagramm zeigt die Verläufe der Enthalpie einer siedenden Flüssigkeit und der Enthalpie eines gesättigten Dampfes in Abhängigkeit von der Konzentration.
Irgendein Punkt A Im Enthalpiediagramm charakterisiert die unterhalb der Enthalpiekurve liegende flüssige Phase ein System, das nur aus der flüssigen Phase besteht. Jeder Punkt A4, der über der Dampfphasen-Enthalpiekurve liegt, besteht aus überhitztem Dampf. Zum Beispiel Punkte, die zwischen Kurven liegen A 2 charakterisiert Zweiphasensysteme.
Die vertikalen Abschnitte zwischen den Enthalpiekurven der Dampf- und Flüssigkeitsphase entsprechen der latenten Verdampfungswärme (Kondensation) einer Mischung einer bestimmten Zusammensetzung.
Physikalische Bedeutung der latenten Verdunstungswärme
Weil Da die latente Verdampfungswärme verschiedener Stoffe nicht übereinstimmt, sind die Enthalpiekurven von Flüssigkeit und Dampf nicht parallel.
Im Enthalpiediagramm sind die Konoden als geneigte Geraden dargestellt. Da in Isobarendiagrammen die Konoden horizontal liegen, d.h. Ihre Position ist leicht zu bestimmen und im Enthalpiediagramm sind sie in unterschiedlichen Winkeln zur Abszissenachse geneigt. Aus Gründen der Konstruktionserleichterung wird das Enthalpiediagramm normalerweise mit einem Diagramm isobarer Temperaturkurven kombiniert (Abbildung 7.1).
Abb.7.1. Darstellung des OR-Prozesses (OK) einer binären Mischung auf einem Enthalpiediagramm und isobaren Temperaturkurven
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1 WÄRMETAUSCHER 3
1.1 Auswahl eines Wärmetauschers für seinen Verwendungszweck 3
1.2 Auswahl des Kühlmittels 3
1.3 Auswahl der Wärmetauscher nach Art der Wärmeübertragung. 4
1.4 Oberflächenrekuperative Wärmetauscher 5
1.5. Regenerative Wärmetauscher (Regeneratoren) 25
1.6. Mischwärmetauscher 25
1.7. Berechnung von Wärmetauschern 29
2. VERDAMPFER 31
2.1. Auswahl der Bedingungen für den Verdampfungsprozess 31
2.2. Verdampferauswahl 32
2.3. Berechnung der Verdampfer 39
Die Auswahl geeigneter Verdampfer erfolgt nach Katalog oder Normen. 43
REFERENZEN 44
1. Kasatkin A.G. Grundlegende Prozesse und Apparate der chemischen Technologie. – M.: LLC TID „Alliance“, 2004. – 753 S. 44
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Vorwort
Einführung
1. Fachgebiet der Chemischen Technologie und Studienziele
2. Klassifizierung von Prozessen
3. Material- und Energieberechnungen
Allgemeine Konzepteüber materielle Balance. Ausfahrt. Leistung. Intensität der Produktionsprozesse. Energiebilanz. Kraft und Effizienz.
4. Dimension physikalischer Größen
TEIL EINS. HYDRODYNAMISCHE PROZESSE
Kapitel eins. Grundlagen der Hydraulik
A. Hydrostatik)