Technische Chemie
von: Manfred Baerns, Arno Behr, Axel Brehm, Jürgen Gmehling, Kai-Olaf Hinrichsen, Hanns Hofmann, Ulfert Onken, Regina Palkovits, Albert Renken
Wiley-VCH, 2013
ISBN: 9783527674077
Sprache: Deutsch
762 Seiten, Download: 11473 KB
Format: Online-Lesen, PDF
geeignet für:
Cover | 1 | ||
Title Page | 5 | ||
Copyright Page | 6 | ||
Inhaltsverzeichnis | 7 | ||
Vorwort zur 2. Auflage | 15 | ||
Vorwort zur 1. Auflage | 17 | ||
Die Autoren | 19 | ||
Enzyklopädien und Nachschlagewerke zur Technischen Chemie | 23 | ||
Symbolverzeichnis | 25 | ||
Teil I Einführung in die Technische Chemie | 29 | ||
1 Chemische Prozesse und chemische Industrie | 29 | ||
1.1 Besonderheiten chemischer Prozesse | 29 | ||
1.2 Chemie und Umwelt | 30 | ||
1.3 Chemiewirtschaft | 31 | ||
1.3.1 Einteilung der Chemieprodukte | 31 | ||
1.3.2 Chemiefirmen werden Großunternehmen – ein historischer Rückblick | 32 | ||
1.3.3 Strukturwandel in der Chemieindustrie | 33 | ||
1.4 Struktur von Chemieunternehmen | 34 | ||
1.5 Bedeutung von Forschung und Entwicklung für die chemische Industrie | 35 | ||
1.5.1 Wissenschaft und chemische Technik | 35 | ||
1.5.2 Betriebsinterne Forschung | 36 | ||
1.6 Entwicklungstendenzen und Zukunftsaussichten der chemischen Industrie | 38 | ||
Literatur | 39 | ||
2 Charakterisierung chemischer Produktionsverfahren | 41 | ||
2.1 Laborverfahren und technische Verfahren | 41 | ||
2.1.1 Chlorierung von Benzol | 41 | ||
2.1.2 Oxychlorierung von Benzol | 42 | ||
2.1.3 Herstellung von Azofarbstoffen | 42 | ||
2.1.4 Zusammenfassung | 43 | ||
2.2 Gliederung chemischer Produktionsverfahren | 43 | ||
2.3 Darstellung chemischer Verfahren und Anlagen durch Fließschemata | 46 | ||
2.3.1 Grundfließschema | 47 | ||
2.3.2 Verfahrensfließschema | 49 | ||
2.3.3 Rohrleitungs- und Instrumenten (RI)-Fließschema | 49 | ||
2.3.4 Mess- und Regelschema | 50 | ||
2.3.5 Spezielle Schemata | 50 | ||
Literatur | 50 | ||
3 Katalyse als Schlüsseltechnologie der chemischen Industrie | 51 | ||
3.1 Was ist Katalyse? | 51 | ||
3.2 Arten von Katalysatoren | 53 | ||
3.2.1 Heterogene Katalyse | 53 | ||
3.2.1.1 Grundprinzipien der heterogenen Katalyse | 53 | ||
3.2.1.2 Eigenschaften von Feststoffkatalysatoren | 54 | ||
3.2.2 Homogene Katalyse | 55 | ||
3.2.2.1 Grundprinzipien der homogenen Katalyse | 55 | ||
3.2.2.2 Technische Anwendungen homogener Katalysatoren | 56 | ||
3.2.3 Biokatalyse | 58 | ||
3.2.3.1 Grundprinzipien der Biokatalyse | 58 | ||
3.2.3.2 Biotransformationen | 59 | ||
3.2.3.3 Biotransformationen zur Herstellung von Wirkstoffen und Feinchemikalien | 60 | ||
3.3 Besondere Anwendungsformen in homogener und heterogener Katalyse | 63 | ||
3.3.1 Vergleich von homogener und heterogener Katalyse | 63 | ||
3.3.2 Heterogenisierung homogener Katalysatoren | 63 | ||
3.3.3 Enantioselektive Katalyse | 63 | ||
3.3.4 Elektrokatalyse | 63 | ||
3.3.5 Photokatalyse | 64 | ||
Literatur | 64 | ||
Teil II Chemische Reaktionstechnik | 65 | ||
4 Grundlagen der Chemischen Reaktionstechnik | 65 | ||
4.1 Grundbegriffe und Grundphänomene | 66 | ||
4.1.1 Klassifizierung chemischer Reaktionen | 66 | ||
4.1.2 Grundbegriffe und Definitionen | 66 | ||
4.1.3 Stöchiometrie chemischer Reaktionen | 69 | ||
4.1.3.1 Zusammensetzung des Reaktionsgemisches | 69 | ||
4.1.3.2 Schlüsselkomponenten und Schlüsselreaktionen | 70 | ||
4.1.3.3 Reaktionsfortschritt | 73 | ||
4.1.3.4 Zusammenhang zwischen Stöchiometrie und Reaktionskinetik | 74 | ||
4.2 Chemische Thermodynamik | 76 | ||
4.2.1 Reaktionsenthalpie | 76 | ||
4.2.2 Gleichgewichtsumsatz | 77 | ||
4.2.3 Simultangleichgewichte | 81 | ||
4.2.3.1 Relaxationsmethode | 81 | ||
4.2.3.2 Ermittlung der Gleichgewichtszusammensetzung durch Minimierung der Gibbs’schen Enthalpie | 83 | ||
4.3 Stoff- und Wärmetransportvorgänge | 84 | ||
4.3.1 Molekulare Transportvorgänge | 84 | ||
4.3.1.1 Diffusion | 84 | ||
4.3.1.2 Wärmeleitung | 87 | ||
4.3.2 Diffusion in porösen Medien | 87 | ||
4.3.2.1 Molekulare Porendiffusion | 88 | ||
4.3.2.2 Knudsen-Diffusion in Poren | 88 | ||
4.3.2.3 Diffusiver Stofftransport im Übergangsgebiet von molekularer zu Knudsen-Diffusion | 89 | ||
4.3.2.4 Poiseuille-Strömung in Poren | 90 | ||
4.3.2.5 Sonderfälle der Diffusion in porösen Feststoffen | 90 | ||
4.3.3 Wärmeleitfähigkeit in porösen Feststoffen | 92 | ||
4.3.4 Stoff- und Wärmetransport an Phasengrenzflächen | 93 | ||
4.3.5 Wärmeübergang | 94 | ||
4.3.6 Stoffübergang | 97 | ||
Literatur | 99 | ||
5 Kinetik chemischer Reaktionen | 103 | ||
5.1 Mikrokinetik chemischer Reaktionen | 103 | ||
5.1.1 Einführung | 103 | ||
5.1.2 Kinetik homogener Gas- und Flüssigkeitsreaktionen | 105 | ||
5.1.3 Kinetik heterogen katalysierter Reaktionen | 110 | ||
5.1.3.1 Katalytische Oberflächenreaktionen | 110 | ||
5.1.3.2 Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von den Gasphasenkonzentrationen | 110 | ||
5.1.3.3 Katalytische Oberflächenreaktion als geschwindigkeitsbestimmender Schritt | 111 | ||
5.1.3.4 Komplexe Vorgänge bei einer einfachen Reaktion | 112 | ||
5.1.4 Kinetik der Desaktivierung heterogener Katalysatoren | 115 | ||
5.1.5 Kinetik von Gas-Feststoff-Reaktionen | 116 | ||
5.1.6 Kinetik homogen und durch gelöste Enzyme katalysierter Reaktionen | 116 | ||
5.1.7 Polymerisationskinetik | 117 | ||
5.1.7.1 Kinetik radikalischer Polymerisationen | 117 | ||
5.1.7.2 Kinetik der ionischen Polymerisation | 118 | ||
5.1.7.3 Polykondensation, Polyaddition | 118 | ||
5.2 Ermittlung der Kinetik chemischer Reaktionen | 119 | ||
5.2.1 Zielsetzungen kinetischer Untersuchungen | 119 | ||
5.2.2 Betriebsweise und Bauart von Laborreaktoren für kinetische Untersuchungen | 120 | ||
5.2.2.1 Allgemeine apparative Gesichtpunkte | 124 | ||
5.2.2.2 Spezielle Laborreaktoren | 126 | ||
5.2.3 Planung und Auswertung kinetischer Messungen zur Ermittlung von Geschwindigkeitsgleichungen | 136 | ||
5.2.3.1 Klassische Methoden | 136 | ||
5.2.3.2 Statistisch begründete Methoden der Versuchsplanung und -auswertung | 149 | ||
5.2.3.3 Versuchsplanung | 153 | ||
5.2.3.4 Auswertesoftware für kinetische Daten | 154 | ||
5.3 Makrokinetik chemischer Reaktionen – Zusammenwirken von chemischer Reaktion und Transportvorgängen | 156 | ||
5.3.1 Heterogen katalysierte Gasreaktionen | 156 | ||
5.3.1.1 Äußere Transportvorgänge | 156 | ||
5.3.1.2 Innere Transportvorgänge und chemische Reaktion | 160 | ||
5.3.1.3 Einfluss der Transportvorgänge auf die Selektivität | 169 | ||
5.3.1.4 Kriterien zur Abschätzung des Einflusses von Stoff- und Wärmetransportvorgängen auf den Reaktionsablauf | 173 | ||
5.3.2 Fluid-Fluid-Reaktionen | 173 | ||
5.3.2.1 Einfluss des Stoffübergangs auf die effektive Reaktionsgeschwindigkeit | 174 | ||
5.3.2.2 Einfluss des Stoffübergangs bei Fluid-Fluid-Reaktionen auf die Selektivität | 179 | ||
5.3.3 Gas-Feststoff-Reaktionen | 180 | ||
5.3.3.1 Nichtporöse Feststoffe | 180 | ||
5.3.3.2 Poröse Feststoffe | 185 | ||
Literatur | 185 | ||
6 Chemische Reaktoren und deren reaktionstechnische Modellierung | 189 | ||
6.1 Allgemeine Stoff- und Energiebilanzen | 189 | ||
6.2 Absatzweise betriebene Rührkesselreaktoren | 190 | ||
6.2.1 Stoffbilanz | 190 | ||
6.2.2 Wärmebilanz | 193 | ||
6.2.2.1 Adiabate Reaktionsführung | 194 | ||
6.2.2.2 Polytrope Reaktionsführung | 195 | ||
6.3 Halbkontinuierlich betriebene Rührkesselreaktoren | 197 | ||
6.4 Kontinuierlich betriebener idealer Rührkesselreaktor | 198 | ||
6.4.1 Stoffbilanz des kontinuierlich betriebenen Rührkesselreaktors | 198 | ||
6.4.1.1 Volumenbeständige Reaktionen | 199 | ||
6.4.1.2 Nichtvolumenbeständige Reaktionen | 200 | ||
6.4.2 Wärmebilanz des kontinuierlich betriebenen Rührkesselreaktors | 201 | ||
6.5 Ideale Strömungsrohrreaktoren | 205 | ||
6.5.1 Stoffbilanz | 205 | ||
6.5.2 Wärmebilanz | 206 | ||
6.5.2.1 Adiabate Reaktionsführung | 206 | ||
6.5.2.2 Polytrope Reaktionsführung | 206 | ||
6.6 Kombination idealer Reaktoren | 208 | ||
6.6.1 Kaskade kontinuierlich betriebener Rührkesselreaktoren | 208 | ||
6.6.2 Strömungsrohrreaktor mit Rückführung | 209 | ||
6.7 Reale homogene und quasihomogene Reaktoren | 211 | ||
6.7.1 Verweilzeitverteilung in chemischen Reaktoren | 212 | ||
6.7.2 Experimentelle Bestimmung der Verweilzeitverteilung | 213 | ||
6.7.2.1 Sprungfunktion | 213 | ||
6.7.2.2 Pulsfunktion | 214 | ||
6.7.2.3 Beliebige Eingangsfunktion | 214 | ||
6.7.3 Verweilzeitverteilung in idealen Reaktoren | 215 | ||
6.7.3.1 Idealer Strömungsrohrreaktor | 215 | ||
6.7.3.2 Idealer kontinuierlich betriebener Rührkesselreaktor | 215 | ||
6.7.3.3 Reaktorkaskade | 216 | ||
6.7.3.4 Laminar durchströmtes Rohr | 216 | ||
6.7.4 Verweilzeitmodelle realer Reaktoren | 217 | ||
6.7.4.1 Dispersionsmodell | 217 | ||
6.7.4.2 Zellenmodell | 220 | ||
6.7.4.3 Mehrparametrige Modelle | 220 | ||
6.7.5 Verweilzeitverhalten realer Reaktoren | 220 | ||
6.7.5.1 Rührkesselreaktoren | 220 | ||
6.7.5.2 Strömungsrohrreaktoren | 221 | ||
6.7.6 Einfluss der Verweilzeitverteilung und der Vermischung auf die Leistung realer Reaktoren | 223 | ||
6.7.6.1 Reaktionen 1. Ordnung | 223 | ||
6.7.6.2 Reaktionen mit nichtlinearer Kinetik | 225 | ||
6.7.7 Vermischung in realen Reaktoren | 226 | ||
6.7.7.1 Segregation | 226 | ||
6.7.7.2 Zeitpunkt der Vermischung | 228 | ||
6.7.7.3 Einfluss der Segregation auf die Reaktorleistung und Produktverteilung | 229 | ||
6.8 Reale Mehrphasenreaktoren | 232 | ||
6.8.1 Fluid-Feststoff-Systeme | 232 | ||
6.8.1.1 Festbettreaktoren | 232 | ||
6.8.1.2 Wirbelschichtreaktoren | 236 | ||
6.8.2 Fluid-Fluid-Systeme (vgl. Abschnitt 5.3.2) | 238 | ||
6.8.2.1 Blasensäulen-Reaktor | 239 | ||
6.8.2.2 Rührkessel für Fluid-Fluid-Reaktionen | 241 | ||
6.8.2.3 Bodenkolonnen | 241 | ||
6.8.2.4 Füllkörperkolonnen | 241 | ||
6.8.2.5 Strahlwäscher | 242 | ||
6.8.3 Gasförmig-flüssig-fest-Systeme | 242 | ||
6.8.3.1 Mehrphasen-Festbettreaktoren | 243 | ||
6.8.3.2 Dreiphasenblasensäule | 244 | ||
6.8.3.3 Dreiphasen-Wirbelschichtreaktoren | 244 | ||
6.8.3.4 Mehrphasen-Rührkesselreaktoren | 244 | ||
6.8.3.5 Strukturierte Mehrphasenreaktoren | 244 | ||
Literatur | 245 | ||
7 Auswahl und Auslegung chemischer Reaktoren | 247 | ||
7.1 Reaktorauswahl und reaktionstechnische Optimierung | 247 | ||
7.1.1 Einfache Reaktionen (Umsatzproblem) | 247 | ||
7.1.1.1 Absatzweise betriebener Reaktor (RK) | 247 | ||
7.1.1.2 Kontinuierlich betriebene Reaktoren | 248 | ||
7.1.1.3 Temperaturführung | 251 | ||
7.1.1.4 Isotherme Reaktionsführung | 253 | ||
7.1.1.5 Adiabate Reaktionsführung | 253 | ||
7.1.1.6 Adiabater Abschnittsreaktor | 255 | ||
7.1.2 Komplexe Reaktionen (Ausbeuteproblem) | 256 | ||
7.1.2.1 Parallelreaktionen | 257 | ||
7.1.2.2 Folgereaktionen | 259 | ||
7.1.2.3 Konkurrierende Folgereaktionen | 260 | ||
7.1.2.4 Polymerisationsreaktionen | 262 | ||
7.1.2.5 Temperaturführung | 264 | ||
7.2 Thermische Prozesssicherheit | 265 | ||
7.2.1 Theorie der Wärmeexplosion | 265 | ||
7.2.2 Parametrische Sensitivität | 268 | ||
7.2.3 Halbkontinuierlich betriebene Rührkesselreaktoren | 270 | ||
7.2.4 Kontinuierlich betriebene Rührkesselreaktoren | 271 | ||
7.2.5 Strömungsrohrreaktoren | 271 | ||
7.3 Mikrostrukturierte Reaktoren | 271 | ||
7.3.1 Homogene Reaktionen | 272 | ||
7.3.1.1 Mikrofluidik | 272 | ||
7.3.1.2 Verweilzeitverteilung | 272 | ||
7.3.1.3 Mikrovermischung | 274 | ||
7.3.1.4 Wärmeübergang | 275 | ||
7.3.2 Feststoffkatalysierte Fluidreaktionen | 278 | ||
7.3.2.1 Innerer Stofftransport | 279 | ||
7.3.2.2 Äußerer Stofftransport | 279 | ||
7.3.2.3 Temperaturkontrolle | 280 | ||
7.3.3 Fluid-Fluid-Reaktionen | 280 | ||
Literatur | 281 | ||
Teil III Grundoperationen | 283 | ||
8 Thermodynamische Grundlagen für die Berechnung von Phasengleichgewichten | 283 | ||
8.1 Phasengleichgewichtsbeziehung | 285 | ||
8.2 Dampf-Flüssig-Gleichgewicht | 285 | ||
8.2.1 Anwendung von Zustandsgleichungen | 286 | ||
8.2.2 Virialgleichung | 288 | ||
8.2.3 Chemische Theorie | 290 | ||
8.2.4 Anwendung von Aktivitätskoeffizienten-Modellen | 290 | ||
8.2.5 Aktivitätskoeffizienten-Modelle | 292 | ||
8.3 Vorausberechnung von Phasengleichgewichten | 295 | ||
8.4 Konzentrationsabhängigkeit des Trennfaktors binärer Systeme | 297 | ||
8.4.1 Bedingung für das Auftreten azeotroper Punkte | 299 | ||
8.4.2 Rückstandslinien, Grenzdestillationslinien und Destillationsfelder | 300 | ||
8.5 Flüssig-Flüssig-Gleichgewicht | 303 | ||
8.6 Gaslöslichkeit | 306 | ||
8.7 Fest-Flüssig-Gleichgewicht | 308 | ||
8.8 Phasengleichgewicht für die überkritische Extraktion | 312 | ||
8.9 Adsorptionsgleichgewichte | 313 | ||
8.10 Osmotischer Druck | 315 | ||
Literatur | 317 | ||
9 Auslegung thermischer Trennverfahren | 319 | ||
9.1 Konzept der idealen Trennstufe | 319 | ||
9.2 Realisierung mehrerer Trennstufen | 319 | ||
9.3 Kontinuierliche Rektifikation | 319 | ||
9.3.1 Rektifikationskolonne | 320 | ||
9.3.2 Ermittlung der Zahl theoretischer Trennstufen | 322 | ||
9.3.2.1 Binäre Systeme | 323 | ||
9.3.2.2 Mehrkomponentensysteme | 330 | ||
9.3.3 Konzept der Übertragungseinheit | 343 | ||
9.4 Trennung azeotroper und eng siedender Systeme | 344 | ||
9.4.1 Rektifikative Trennung azeotroper und engsiedender Systeme ohne Zusatzstoff | 345 | ||
9.4.1.1 Trennung durch Rektifikation im Vakuum oder bei erhöhtem Druck | 345 | ||
9.4.1.2 Trennung binärer heteroazeotroper Systeme | 347 | ||
9.4.1.3 Zweidruckverfahren | 348 | ||
9.4.2 Rektifikation mit Hilfsstoffen | 348 | ||
9.4.2.1 Extraktive Rektifikation | 348 | ||
9.4.2.2 Azeotrope Rektifikation | 351 | ||
9.4.3 Wasserdampfdestillation | 353 | ||
9.5 Reaktive Rektifikation | 353 | ||
9.6 Zahl der Kolonnen und mögliche Trennsequenzen | 355 | ||
9.6.1 Energieeinsparung | 356 | ||
9.7 Diskontinuierliche Rektifikation | 358 | ||
9.7.1 Einfache diskontinuierliche Destillation | 358 | ||
9.7.2 Mehrstufige diskontinuierliche Rektifikation | 359 | ||
9.8 Auslegung von Rektifikationskolonnen | 361 | ||
9.8.1 Bodenkolonnen | 361 | ||
9.8.2 Packungskolonnen | 363 | ||
9.8.3 Wärmetauscher | 369 | ||
9.8.3.1 Verdampfer | 369 | ||
9.8.3.2 Kondensatoren | 369 | ||
9.9 Absorption | 369 | ||
9.9.1 Lösemittelauswahl | 371 | ||
9.9.2 McCabe-Thiele-Verfahren | 372 | ||
9.9.3 Kremser-Gleichung | 374 | ||
9.9.4 Chemische Absorption | 376 | ||
9.9.5 Absorberbauarten | 377 | ||
9.10 Flüssig-Flüssig-Extraktion | 377 | ||
9.10.1 Auswahl des Extraktionsmittels | 379 | ||
9.10.2 McCabe-Thiele-Verfahren | 379 | ||
9.10.2.1 Kremser-Gleichung | 381 | ||
9.10.3 Anwendung von Dreiecksdiagrammen | 381 | ||
9.10.4 Extraktoren | 384 | ||
9.10.4.1 Mixer-Settler | 384 | ||
9.10.4.2 Extraktionskolonnen | 385 | ||
9.10.4.3 Zentrifugalextraktoren | 386 | ||
9.11 Fest-Flüssig-Extraktion | 386 | ||
9.12 Extraktion mit überkritischen Fluiden | 387 | ||
9.13 Kristallisation | 388 | ||
9.13.1 Kristallisationsprozess | 388 | ||
9.13.2 Kristallisatoren | 390 | ||
9.14 Adsorption | 391 | ||
9.14.1 Adsorptionsmittel | 392 | ||
9.14.2 Adsorptions- und Desorptionsschritt | 393 | ||
9.14.3 Adsorberbauarten | 394 | ||
9.15 Entfernung der Restfeuchten, Entwässern und Trocknen | 396 | ||
9.15.1 Trocknungsgüter und Trocknungsarten | 396 | ||
9.15.2 Kriterien zur Auslegung von Trocknern | 397 | ||
9.15.3 Apparate zum technischen Trocknen | 398 | ||
9.15.3.1 Konvektionstrockner | 398 | ||
9.15.3.2 Kontakttrockner | 399 | ||
9.16 Membrantrennverfahren | 399 | ||
9.16.1 Trennprinzip und Arbeitsweise | 399 | ||
9.16.2 Arten von Membrantrennverfahren | 401 | ||
9.16.3 Membranmodule | 403 | ||
Literatur | 405 | ||
10 Mechanische Grundoperationen | 407 | ||
10.1 Strömungslehre – Fluiddynamik in Reaktoren, Kolonnen und Rohrleitungen | 407 | ||
10.1.1 Strömungsarten, Reynoldssche Ähnlichkeit | 407 | ||
10.1.2 Strömungsgesetze | 408 | ||
10.1.2.1 Strömung „idealer Fluide“ | 408 | ||
10.1.2.2 Auftreten von Reibungskräften (Strömen von Flüssigkeiten) | 408 | ||
10.1.3 Strömungsbedingter Druckverlust | 409 | ||
10.1.3.1 Ungestörte Strömung – Durchströmen eines geraden Rohrs | 410 | ||
10.1.3.2 Gestörte Strömung – Auftreten örtlicher Druckverluste | 411 | ||
10.2 Erzeugen von Förderströmen – Pumpen, Komprimieren, Evakuieren | 412 | ||
10.2.1 Pumpencharakteristika und Pumpenwirkungsgrade | 412 | ||
10.2.2 Pumpen – Apparate zum Fördern von Flüssigkeiten | 413 | ||
10.2.2.1 Arbeitsweise von Hubkolbenpumpen | 413 | ||
10.2.2.2 Arbeitsweise von Kreiselpumpen | 414 | ||
10.2.2.3 Arbeitsweise von Umlaufkolbenpumpen | 415 | ||
10.2.3 Verdichten von Gasen | 415 | ||
10.2.3.1 Druck-Volumen-Diagramm, ein- und mehrstufiges Verdichten | 416 | ||
10.2.3.2 Bauarten von Kompressoren (Verdichtern) | 417 | ||
10.2.3.3 Einsatzbereiche von Kompressoren | 419 | ||
10.2.4 Vakuumerzeugung | 419 | ||
10.3 Mischen fluider Phasen | 421 | ||
10.3.1 Mischen in flüssiger Phase | 421 | ||
10.3.1.1 Aufbau von Rührbehältern | 421 | ||
10.3.1.2 Ermittlung des Leistungsbedarfs für das Homogenisieren durch Rühren | 423 | ||
10.3.1.3 Begasen von Flüssigkeiten, Emulgieren und Suspendieren | 425 | ||
10.3.2 Flüssigkeitsverteilung in der Gasphase | 427 | ||
10.3.2.1 Kriterien der Flüssigkeitsverteilung | 427 | ||
10.3.2.2 Einflussgrößen und Auswahlkriterien beim Zerstäuben | 429 | ||
10.4 Mechanische Trennverfahren | 430 | ||
10.4.1 Partikelabtrennung aus Flüssigkeiten | 430 | ||
10.4.1.1 Sedimentieren und Zentrifugieren | 431 | ||
10.4.1.2 Filtern | 433 | ||
10.4.2 Partikelabscheidung aus Gasströmen | 438 | ||
10.4.2.1 Ausnutzung der Schwer- und der Zentrifugalkraft | 438 | ||
10.4.2.2 Filterelemente, Elektrofilter, Nassentstaubung | 439 | ||
10.4.3 Trennen weiterer disperser Systeme | 440 | ||
10.4.3.1 Emulsionstrennen | 440 | ||
10.4.3.2 Schaumbrechen und Schaumverhindern | 441 | ||
10.5 Verarbeiten von Feststoffen | 442 | ||
10.5.1 Zerkleinern von Feststoffen | 442 | ||
10.5.1.1 Grundlagen des Zerkleinerns | 442 | ||
10.5.1.2 Energiebedarf beim Zerkleinern | 444 | ||
10.5.1.3 Zerkleinerungsapparate | 445 | ||
10.5.2 Klassieren und Sortieren | 447 | ||
10.5.2.1 Auftrennen des Mahlguts nach Kornklassen (Klassieren) | 447 | ||
10.5.2.2 Auftrennen des Mahlguts unter Ausnutzung von Teilcheneigenschaften (Sortieren) | 449 | ||
10.5.3 Formgebung | 452 | ||
Literatur | 454 | ||
Teil IV Verfahrensentwicklung | 457 | ||
11 Gesichtspunkte der Verfahrensauswahl | 457 | ||
11.1 Das Konzept der Nachhaltigkeit | 457 | ||
11.2 Stoffliche Gesichtspunkte (Rohstoffauswahl und Syntheseroute) | 459 | ||
11.2.1 Nachhaltigkeit am Beispiel des Phenols – sieben technische Synthesewege | 459 | ||
11.2.1.1 Alkalischmelze von Natriumbenzolsulfonat | 459 | ||
11.2.1.2 Wasserdampfhydrolyse von Chlorbenzol (Raschig -Hooker-Verfahren) | 460 | ||
11.2.1.3 Alkalische Hydrolyse von Chlorbenzol | 460 | ||
11.2.1.4 Cumolverfahren (Hock-Verfahren) | 461 | ||
11.2.1.5 Toluoloxidation | 462 | ||
11.2.1.6 Dehydrierung von Cyclohexanol/Cyclohexanon | 462 | ||
11.2.1.7 Benzolhydroxylierung mit Distickstoffmonoxid | 462 | ||
11.2.1.8 Phenol aus nachwachsenden Rohstoffen | 462 | ||
11.2.1.9 Vergleich der Phenolverfahren | 462 | ||
11.2.2 Zusammenfassung | 463 | ||
11.3 Energieaufwand | 464 | ||
11.3.1 Energiearten und Energienutzung | 464 | ||
11.3.2 Wasserstoff | 464 | ||
11.3.2.1 Wasserstofferzeugung aus fossilen Rohstoffen | 465 | ||
11.3.2.2 Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse | 467 | ||
11.3.2.3 Vergleich: Wasserstoff aus fossilen Rohstoffen oder durch Wasserelektrolyse | 467 | ||
11.3.2.4 Wasserstoff als Energieträger und Energiespeicher | 468 | ||
11.3.2.5 Direktverstromung von Wasserstoff | 468 | ||
11.4 Sicherheit | 469 | ||
11.4.1 Exotherme Reaktionen | 469 | ||
11.4.1.1 Ausfall der Kühlung am Beispiel der Blockpolymerisation von Styrol | 469 | ||
11.4.1.2 Explosion eines Ethylenoxidbehälters als Beispiel einer Wärmeexplosion | 470 | ||
11.4.1.3 Exotherme Sekundärreaktionen | 471 | ||
11.4.2 Brennbare und explosive Stoffe und Stoffgemische | 471 | ||
11.4.2.1 Explosionen | 471 | ||
11.4.2.2 Explosionsbereich | 472 | ||
11.4.2.3 Organische Peroxide | 473 | ||
11.4.2.4 Maßnahmen zur Verhinderung von Explosionen | 473 | ||
11.4.3 Toxische Stoffe | 473 | ||
11.4.4 Zusammenfassung und Folgerungen | 474 | ||
11.5 Umweltschutz im Sinne der Nachhaltigkeit | 474 | ||
11.5.1 Luftverunreinigungen | 475 | ||
11.5.2 Abwasserbelastungen | 477 | ||
11.5.2.1 Alternativen zum Chlorhydrinverfahrens zur Herstellung von Ethylenoxid und Propylenoxid | 478 | ||
11.5.2.2 Abwasserreinigung | 479 | ||
11.5.3 Abfälle | 482 | ||
11.5.4 Zusammenfassung und Folgerungen | 484 | ||
11.6 Betriebsweise | 484 | ||
11.6.1 Beispiel: Hydrierung von Doppelbindungen | 484 | ||
11.6.1.1 Hydrierung im Suspensionsreaktor | 485 | ||
11.6.1.2 Hydrierung im Rieselbettreaktor | 485 | ||
11.6.2 Unterschiede zwischen diskontinuierlichen und kontinuierlichen Verfahren | 486 | ||
11.6.3 Entscheidungskriterien | 488 | ||
Literatur | 489 | ||
12 Verfahrensgrundlagen | 491 | ||
12.1 Ausgangssituation und Ablauf | 491 | ||
12.2 Verfahrensinformationen | 492 | ||
12.2.1 Übersicht | 492 | ||
12.2.2 Sicherheitstechnische Kenndaten | 493 | ||
12.2.3 Toxikologische Daten | 495 | ||
12.3 Stoff- und Energiebilanzen | 497 | ||
12.3.1 Stoff- und Energiebilanzen – Werkzeug in Verfahrensentwicklung und Anlagenprojektierung | 497 | ||
12.3.2 Stoffbilanzen | 497 | ||
12.3.3 Energiebilanzen | 502 | ||
12.4 Versuchsanlagen | 502 | ||
12.4.1 Notwendigkeit und Aufgaben | 502 | ||
12.4.2 Typen von Versuchsanlagen | 503 | ||
12.4.3 Planung einer Versuchsanlage | 504 | ||
12.5 Auswertung und Optimierung | 504 | ||
12.5.1 Versuchsplanung und Auswertung | 505 | ||
12.5.2 Prozess-Simulation und Prozessoptimierung | 505 | ||
Literatur | 506 | ||
13 Wirtschaftlichkeit von Verfahren und Produktionsanlagen | 509 | ||
13.1 Erlöse, Kosten und Gewinn | 509 | ||
13.2 Herstellkosten | 510 | ||
13.2.1 Vorkalkulation und Nachkalkulation | 510 | ||
13.2.2 Ermittlung des Kapitalbedarfs | 510 | ||
13.2.3 Ermittlung der Herstellkosten | 513 | ||
13.3 Kapazitätsauslastung und Wirtschaftlichkeit | 515 | ||
13.3.1 Erlöse und Gewinn | 515 | ||
13.3.2 Fixe Kosten und veränderliche Kosten | 516 | ||
13.3.3 Gewinn bzw. Verlust in Abhängigkeit von der Kapazitätsauslastung | 517 | ||
13.4 Wirtschaftlichkeit von Projekten | 518 | ||
13.4.1 Rentabilität als Maß für die Wirtschaftlichkeit | 518 | ||
13.4.2 Kapitalrückflusszeit | 519 | ||
13.4.3 Andere Methoden der Rentabilitätsbewertung | 519 | ||
13.4.4 Entscheidung zwischen Alternativen | 520 | ||
Literatur | 522 | ||
14 Planung und Bau von Anlagen | 525 | ||
14.1 Projektablauf | 525 | ||
14.2 Projektorganisation | 526 | ||
14.3 Genehmigungsverfahren für Chemieanlagen | 528 | ||
14.4 Anlagenplanung | 528 | ||
14.5 Projektabwicklung | 531 | ||
14.5.1 Ablaufplanung und -überwachung | 531 | ||
14.5.2 Bau und Montage | 533 | ||
Literatur | 535 | ||
Teil V Chemische Prozesse | 537 | ||
15 Organische Rohstoffe | 537 | ||
15.1 Erdöl | 537 | ||
15.1.1 Zusammensetzung und Klassifizierung | 537 | ||
15.1.2 Bildung und Vorkommen | 538 | ||
15.1.3 Förderung und Transport | 539 | ||
15.1.4 Erdölraffinerien | 543 | ||
15.1.5 Thermische Konversionsverfahren | 547 | ||
15.1.6 Katalytische Konversionsverfahren | 548 | ||
15.2 Erdgas | 553 | ||
15.2.1 Zusammensetzung und Klassifizierung | 553 | ||
15.2.2 Förderung und Transport | 553 | ||
15.2.3 Weiterverarbeitung | 554 | ||
15.3 Kohle | 555 | ||
15.3.1 Zusammensetzung und Klassifizierung | 555 | ||
15.3.2 Vorkommen | 556 | ||
15.3.3 Förderung | 556 | ||
15.3.4 Verarbeitung | 557 | ||
15.3.4.1 Verkokung | 557 | ||
15.3.4.2 Kohlevergasung | 560 | ||
15.3.4.3 Kohlehydrierung | 563 | ||
15.4 Nachwachsende Rohstoffe | 564 | ||
15.4.1 Bedeutung der nachwachsenden Rohstoffe | 564 | ||
15.4.2 Fette und Öle | 565 | ||
15.4.3 Kohlenhydrate | 570 | ||
15.4.3.1 Cellulose | 570 | ||
15.4.3.2 Stärke | 575 | ||
15.4.3.3 Zucker | 575 | ||
15.4.4 Pflanzliche Sekrete und Extrakte | 576 | ||
Literatur | 577 | ||
16 Organische Grundchemikalien | 579 | ||
16.1 Alkane | 579 | ||
16.1.1 Herstellung | 579 | ||
16.1.1.1 Methan | 579 | ||
16.1.1.2 Höhere n- und iso-Alkane | 580 | ||
16.1.1.3 Cycloalkane | 580 | ||
16.1.2 Verwendung | 580 | ||
16.1.2.1 Methan | 580 | ||
16.1.2.2 Höhere n-Alkane | 581 | ||
16.1.2.3 Cycloalkane | 582 | ||
16.2 Alkene | 583 | ||
16.2.1 Herstellung | 583 | ||
16.2.2 Verwendung | 590 | ||
16.3 Aromaten | 592 | ||
16.3.1 Herstellung | 592 | ||
16.3.2 Verwendung | 595 | ||
16.4 Acetylen | 598 | ||
16.4.1 Herstellung | 598 | ||
16.4.1.1 Acetylen aus Kohle | 599 | ||
16.4.1.2 Acetylen aus Kohlenwasserstoffen | 599 | ||
16.4.2 Verwendung | 600 | ||
16.5 Synthesegas | 601 | ||
16.5.1 Herstellung | 601 | ||
16.5.1.1 Steamreforming | 601 | ||
16.5.1.2 Partielle Oxidation | 603 | ||
16.5.2 Verwendung | 604 | ||
16.5.3 Kohlenmonoxid | 605 | ||
Literatur | 606 | ||
17 Organische Zwischenprodukte | 609 | ||
17.1 Sauerstoffhaltige Verbindungen | 609 | ||
17.1.1 Alkohole | 609 | ||
17.1.1.1 Methanol | 609 | ||
17.1.1.2 Ethanol | 613 | ||
17.1.1.3 Propanole | 616 | ||
17.1.1.4 Butanole | 616 | ||
17.1.1.5 Längerkettige Alkohole | 616 | ||
17.1.1.6 Cyclische Alkohole | 616 | ||
17.1.1.7 Ungesättigte Alkohole | 617 | ||
17.1.1.8 Mehrwertige Alkohole | 617 | ||
17.1.2 Phenole | 619 | ||
17.1.3 Ether | 619 | ||
17.1.3.1 Aliphatische Ether | 619 | ||
17.1.3.2 Cyclische Ether | 619 | ||
17.1.4 Epoxide | 620 | ||
17.1.4.1 Ethylenoxid | 620 | ||
17.1.4.2 Propylenoxid | 621 | ||
17.1.5 Aldehyde | 622 | ||
17.1.5.1 Formaldehyd (Methanal) | 622 | ||
17.1.5.2 Acetaldehyd (Ethanal) | 623 | ||
17.1.5.3 Butyraldehyde (Butanale) | 624 | ||
17.1.5.4 Ungesättigte Aldehyde | 626 | ||
17.1.6 Ketone | 627 | ||
17.1.6.1 Aceton und Methylisobutylketon | 627 | ||
17.1.6.2 Methylethylketon | 627 | ||
17.1.7 Carbonsäuren | 627 | ||
17.1.7.1 Ameisensäure | 627 | ||
17.1.7.2 Essigsäure | 628 | ||
17.1.7.3 Ungesättigte Carbonsäuren | 630 | ||
17.1.7.4 Aliphatische Dicarbonsäuren | 631 | ||
17.1.7.5 Aromatische Carbonsäuren | 631 | ||
17.2 Stickstoffhaltige Verbindungen | 634 | ||
17.2.1 Amine | 634 | ||
17.2.1.1 Niedere Amine | 634 | ||
17.2.1.2 Fettamine | 634 | ||
17.2.1.3 Diamine | 635 | ||
17.2.1.4 Cyclische Amine | 635 | ||
17.2.1.5 Aromatische Nitroverbindungen und Amine | 635 | ||
17.2.2 Lactame | 636 | ||
17.2.3 Nitrile | 636 | ||
17.2.3.1 Acrylnitril | 636 | ||
17.2.3.2 Adipodinitril | 638 | ||
17.2.4 Isocyanate | 639 | ||
17.2.4.1 Aliphatische Isocyanate | 639 | ||
17.2.4.2 Aromatische Isocyanate | 639 | ||
17.3 Halogenhaltige Verbindungen | 640 | ||
17.3.1 Chlormethane | 640 | ||
17.3.2 Chlorderivate höherer Aliphaten | 641 | ||
17.3.3 Chloraromaten | 643 | ||
17.3.4 Fluorverbindungen | 644 | ||
Literatur | 646 | ||
18 Anorganische Grund- und Massenprodukte | 649 | ||
18.1 Anorganische Schwefelverbindungen | 649 | ||
18.1.1 Schwefel und Sulfide | 649 | ||
18.1.2 Schwefeldioxid | 649 | ||
18.1.3 Schwefeltrioxid und Schwefelsäure | 650 | ||
18.2 Anorganische Stickstoffverbindungen | 650 | ||
18.2.1 Ammoniak | 650 | ||
18.2.2 Salpetersäure | 654 | ||
18.2.3 Harnstoff und Melamin | 655 | ||
18.3 Chlor und Alkalien | 655 | ||
18.3.1 Chlor und Alkalilauge durch Alkalichloridelektrolyse | 655 | ||
18.3.2 Natronlauge und Soda | 657 | ||
18.4 Phosphorverbindungen | 658 | ||
18.4.1 Elementarer Phosphor | 658 | ||
18.4.2 Phosphorsäure und Phosphate | 659 | ||
18.5 Technische Gase | 660 | ||
18.5.1 Sauerstoff und Stickstoff | 660 | ||
18.5.2 Edelgase | 661 | ||
18.5.3 Kohlendioxid | 662 | ||
18.6 Düngemittel | 662 | ||
18.6.1 Bedeutung der Düngemittel | 662 | ||
18.6.2 Stickstoffdüngemittel | 663 | ||
18.6.3 Phosphordüngemittel | 663 | ||
18.6.4 Kalidüngemittel | 664 | ||
18.6.5 Mehrnährstoffdünger | 664 | ||
18.6.6 Wirtschaftliche Betrachtung | 664 | ||
18.7 Metalle | 664 | ||
18.7.1 Stähle | 664 | ||
18.7.2 Nichteisenmetalle und ihre Legierungen | 665 | ||
18.7.3 Korrosion und Korrosionsschutz | 665 | ||
Literatur | 667 | ||
19 Chemische Endprodukte | 669 | ||
19.1 Polymere | 669 | ||
19.1.1 Aufbau und Synthese von Polymeren | 669 | ||
19.1.1.1 Stufenreaktionen | 670 | ||
19.1.1.2 Kettenreaktionen | 670 | ||
19.1.2 Polymerisationstechnik | 673 | ||
19.1.3 Massenkunststoffe | 676 | ||
19.1.4 Fasern | 681 | ||
19.1.5 Klebstoffe | 681 | ||
19.1.6 Hochtemperaturfeste Kunststoffe | 682 | ||
19.1.7 Elektrisch leitfähige Polymere | 682 | ||
19.1.8 Flüssigkristalline Polymere | 683 | ||
19.1.9 Biologisch abbaubare Polymere | 683 | ||
19.2 Tenside und Waschmittel | 683 | ||
19.2.1 Aufbau und Eigenschaften | 683 | ||
19.2.2 Anionische Tenside | 684 | ||
19.2.3 Kationische Tenside | 686 | ||
19.2.4 Nichtionische Tenside | 686 | ||
19.2.5 Amphotere Tenside | 689 | ||
19.2.6 Vergleich der Tensidklassen | 689 | ||
19.2.7 Anwendungsgebiete | 689 | ||
19.3 Farbstoffe | 694 | ||
19.3.1 Übersicht | 694 | ||
19.3.2 Azofarbstoffe | 695 | ||
19.3.3 Carbonylfarbstoffe | 696 | ||
19.3.4 Methinfarbstoffe | 697 | ||
19.3.5 Phthalocyanine | 697 | ||
19.3.6 Färbevorgänge | 698 | ||
19.4 Pharmaka | 700 | ||
19.4.1 Allgemeines | 700 | ||
19.4.2 Arten pharmazeutischer Produkte | 700 | ||
19.4.3 Wirkstoffherstellung durch chemische Synthese | 704 | ||
19.4.4 Wirkstoffherstellung mit Biokatalysatoren | 704 | ||
19.4.5 Wirkstoffherstellung durch Fermentationsverfahren | 706 | ||
19.4.6 Sonstige Verfahren zur Wirkstoffherstellung | 709 | ||
19.5 Pflanzenschutzmittel | 709 | ||
19.5.1 Bedeutung des Pflanzenschutzes | 709 | ||
19.5.2 Insektizide | 709 | ||
19.5.3 Herbizide | 711 | ||
19.5.4 Fungizide | 712 | ||
19.5.5 Marktdaten und Entwicklungstrends | 713 | ||
19.6 Metallorganische Verbindungen | 713 | ||
19.7 Silicone | 715 | ||
19.7.1 Struktur und Eigenschaften | 715 | ||
19.7.2 Herstellung der Ausgangsverbindungen | 716 | ||
19.7.3 Herstellung der Silicone | 717 | ||
19.7.4 Technische Siliconerzeugnisse | 719 | ||
19.8 Zeolithe | 720 | ||
Literatur | 721 | ||
Anhang 1 Größen zur Charakterisierung von Reaktionen, Verfahren und Anlagen | 725 | ||
Anhang 2 Tabellen zu Reinstoffdaten | 727 | ||
Anhang 3 Graphische Symbole für Fließschemata nach EN ISO 10 628 | 731 | ||
Stichwortverzeichnis | 753 |