Einführung in die Technische Chemie

270 Pages·2010·14.7 MB·German

by  Prof. Dr. Arno Behr

Einführung in die Technische Chemie
Arno Behr David W. Agar Jakob Jörissen
Einführung in die
Technische Chemie
Autoren
Prof. Dr. Arno Behr
[email protected]
Prof. Dr. David W. Agar
[email protected]
Prof. Dr. Jakob Jörissen
[email protected]
TU Dortmund
Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen
Emil-Figge-Str. 66
D-44227 Dortmund
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Planung und Lektorat: Frank Wigger, Dr. Meike Barth
Redaktion: Dr. Angela Simeon, Heidemarie Wolter
Herstellung und Satz: Crest Premedia Solutions (P) Ltd, Pune, Maharashtra, India
Umschlaggestaltung: SpieszDesign, Neu–Ulm
Titelfotografi e: Mit freundlicher Genehmigung der Bayer AG (Tankanlage) und der Firma Merck (Laborkolben);
Zusammenstellung: jobmann-marketing/Dortmund, © Arno Behr.
Zeichnungen: Stefan Neuberg et al.
ISBN 978-3-8274-2073-2
Inhalt
I Grundlagen ..............................................1 II Reaktions- und Trenntechnik ...............57
1 Die chemische Industrie ..........................3 6 Chemische Reaktoren ...........................59
1.1 Was ist Technische Chemie? ........................3 6.1 Bedeutung des Reaktors..............................59
1.2 Chemiewirtschaft ...........................................4 6.2 Leistung des Reaktors..................................60
6.3 Ideale Reaktoren ..........................................61
2 Vom Rohstoff zur Endchemikalie ...........9 6.4 Leistungsberechnung idealer
2.1 Verbundstruktur der Reaktoren ......................................................64
chemischen Industrie ....................................9 6.5 Nichtideale Reaktoren .................................68
2.2 Wert-, Koppel- und Nebenprodukte .........11 6.6 Technische Reaktoren .................................70
2.3 Ein typischer Produktstammbaum ...........12
7 Th ermische Trennverfahren I
3 Vom Laborversuch zur (Destillation und Rektifi kation) ...........75
chemischen Anlage ...............................17 7.1 Einfache Destillation ...................................75
3.1 Grundlagen der Maßstabsvergößerung ....17 7.2 Relative Flüchtigkeit in
3.2 Versuchs- und Produktionsanlagen ..........21 unterschiedlichen Stoff systemen ...............77
7.3 Rektifi kation .................................................80
4 Physikalisch-chemische 7.4 Bilanzierung und grafi sche
Grundlagen I: Gleichgewichte Auslegung der Rektifi kation .......................81
und Th ermodynamik ............................27 7.5 Praktische Durchführung
4.1 Enthalpie .......................................................27 der Rektifi kation ..........................................83
4.2 Chemisches Gleichgewicht .........................30 7.6 Trennung von Azeotropen .........................88
4.3 Phasengleichgewicht ...................................32
8 Th ermische Trennverfahren II
5 Physikalisch-chemische (Absorption und Extraktion) ...............93
Grundlagen II: Kinetik 8.1 Übersicht über thermische
und Transportprozesse ..........................41 Trennverfahren ............................................93
5.1 Bedeutung der Kinetik ................................41 8.2 Absorption ....................................................93
5.2 Wärme- und Stofft ransport ........................49 8.3 Extraktion .....................................................96
8.4 Adsorption .................................................102
8.5 Weitere Trennverfahren ...........................104
VI Inhalt
9 Mechanische Verfahren ......................107 15 Technische Chemie der Alkene
9.1 Übersicht über mechanische und Aromaten .....................................183
Verfahren ...................................................107 15.1 Verwendungsmöglichkeiten
9.2 Mischen ......................................................108 des Ethens ..................................................183
9.3 Pumpen und Verdichter ..........................111 15.2 Verwendungsmöglichkeiten
9.4 Sedimentieren, Zentrifugieren des Benzols ................................................188
und Filtrieren ............................................115
16 Organische Endprodukte ....................193
10 Fließbilder ...........................................119 16.1 Übersicht ....................................................193
10.1 Typen von Fließbildern ............................119 16.2 Die wichtigsten Kunststoff e ....................193
10.2 Normsymbole für Fließbilder .................121 16.3 Die technische Herstellung
10.3 Konkreter Aufb au von von Polymeren ..........................................195
Che mieanlagen im RI-Fließbild .............122 16.4 Polystyrol ...................................................197
III Verfahrensentwicklung .......................131 17 Organische Feinchemikalien ..............201
11 Verfahrensauswahl ..............................133 17.1 Defi nitionen ..............................................201
11.1 Allgemeine Kriterien für 17.2 Übersicht ....................................................201
die Verfahrensauswahl .............................133 17.3 Pharmaka ...................................................202
11.2 Beispiel: Acrylsäure ..................................134 17.4 Beispiel 1: l-Dopa .....................................203
17.5 Beispiel 2: Vitamin C ................................205
12 Heterogene Katalyse ...........................143
12.1 Grundlagen der Katalyse .........................143 18 Nachwachsende Rohstoff e ..................211
12.2 Heterogene Katalysatoren ........................145 18.1 Was sind nachwachsende Rohstoff e? .....211
12.3 Die Ammoniak-Synthese ........................147 18.2 Fette und Öle .............................................212
18.3 Der Rohstoff Holz .....................................218
13 Homogene 18.4 Kohlenhydrate ...........................................219
Übergangsmetallkatalyse ....................155 18.5 Pfl anzliche Sekrete und Extrakte ............224
13.1 Grundlagen der homogenen
Übergangsmetall katalyse .........................155 19 Elektrochemische Verfahren ..............227
13.2 Die Hydroformylierung 19.1 Energieformen in chemischen
(Oxo-Synthese) .........................................159 Reaktionen .................................................227
13.3 Industriell bedeutsame 19.2 Grundprinzip elektrochemis cher
Homogenkatalysen ...................................164 Reaktionen .................................................227
19.3 Elektrochemische Reaktionstechnik ......228
IV Chemische Prozesse ............................169 19.4 Herstellung von Chlor
14 Organische Basischemikalien und Natronlauge
(Erdöl und Raffi nerieverfahren) .........171 (Chlor-Alkali-Elektrolyse) .......................230
14.1 Erdöl – der derzeit wichtigste fossile 19.5 Herstellung von Metallen ........................236
Rohstoff der chemischen Industrie ........171 19.6 Organische Elektrosynthese ....................237
14.2 Die Konversion des Erdöls
in der Raffi nerie ........................................173 Antworten zu den „Quickies“ .............241
14.3 Der Steamcracker .....................................177
Literatur ...............................................259
Sachverzeichnis ....................................263
Eine kurze Gebrauchsanweisung für die
Einführung in die Technische Chemie
Dieses Buch hat zum Ziel, den Studierenden der Prozesse gestellt. Rohstoff e, Energieströme,
Chemie und des Chemieingenieurw esens im Ba- Sicherheits aufl agen und Umweltaspekte spielen
chelor-Studiengang einen ersten Einblick in die hier eine wichtige Rolle. Da bei der Opt im ierung
Welt der industriellen Chemie zu geben. Auch chemischer Prozesse Katalysatoren eine wesent-
Lehrer der Sekundarstufe II werden wichtige Anre- liche Rolle spiel en, sind zwei Kapitel auch der
gungen für ihre Leistungskurse im Fach Chemie er- Katalyse gewidmet.
halten. Praktiker im Betrieb – auch mit nur gerin- • Der Teilbereich Chemische Prozesse gibt
gen Vorkenntnissen in Chemie – gewinnen einen schließlich einen Überblick über die wichtigs-
schnellen Überblick über die Zusammenhänge in ten Produktgruppen der industriellen Chemie.
der chemischen Industrie. Ausgehend von dem Roh stoff Erdöl werden be-
Entstanden ist dieses Buch als Begleitmaterial deutende organische Basis- und Zwischenche-
zu einer gleichnamigen Vorlesung, die die drei Au- mi kalien vorgestellt, die zu wich tigen End-
toren seit ca. einem Jahrzehnt an der Technischen produkten, den Polymeren oder Pharmaka, füh-
Universität Dortmund hal ten. Entsprechend dieser ren. Auch moderne Trends, wie z. B. der lang-
Vorlesung ist das Buch in vier Hauptbereiche ge- fristige Wechsel von fossilen zu nachwach sen den
gliedert: Rohstoff en, werden ausführlich diskutiert.
• In den Grundlagen werden wichtige Begriff e
erläutert und der Weg einer chemischen Reak- Bei der Gestaltung dieses Buches haben die Auto-
tion vom Labormaßstab bis zur Produktion be- ren sehr viel Wert auf eine gute Ans chaulichk eit des
schrieben. Kapitel über physikalisch-chemische Lernstoff es gelegt.
Grundlagen bilden die Basis für die später fol- • Deshalb wurde das Buch zuerst einmal in 19
genden Abschnitte über Reaktions- und Trenn- über sichtliche, relativ kleine Lerneinheiten zu
apparaturen. jeweils ca. zehn bis zwölf Seiten aufgeteilt.
• Im Bereich Reaktions- und Trenntechnik wer- • In jedem dieser Kapitel sorgen Abbildungen,
den chemische Reaktoren und Grundprozesse Gleichungen, Fließschemata, Tabellen, Appara-
zur Auft rennung von Stoff gemischen behandelt. tezeichnungen und Fotos für eine anschauliche
Hier werden auch die chemischen Fließschema- Darstellung.
ta erläutert, die die Kommunikation zwi schen • Jedes Kapitel endet mit einer kurzen Zusammen-
Chemiker und Ingenieur wesentlich erleichtern. fassung, mit deren Hilfe der Leser die wesentli-
• Im Abschnitt Verfahrensentwicklung werden chen Inhalte kurz repetieren kann.
Fragen zur optimalen Ausw ahl chemischer
VIII Eine kurze Gebrauchsanweisung für die Einführung in die Technische Chemie
• Alle Kapitel enthalten zur zusätzlichen Ver- projekts. Weiterer Dank gilt unseren wissenschaft -
ständnisübung zehn kurze Testf rag en, die so ge- lichen Mit arbeitern an der TU Dortmund, die sich
nannten Quickies. Am Ende des Buches stehen intensiv durch Zeichnen von Abbildungen und
die Antworten. Korrekturlesen an diesem Projekt beteiligt haben.
• Dort fi ndet man auch Hinweise auf weiterfüh- Insbesondere Herrn Dipl.-Chem. Stefan Neuberg,
rende Literatur. dem organisatorischen Koordinator dieses Buches,
sei herz lich gedankt.
Die drei Autoren danken dem Spektrum Akade- Wenn Ihnen dieses Buch gefällt, empfehlen Sie
mischer Verlag, insbesondere Herrn Frank Wig- es bitte weiter. Wenn Sie Verbesser ungsv orschläge
ger und Frau Dr. Meike Barth, für die großzügige haben, dann schicken Sie uns doch bitte eine Mail!
Unterstützung bei der Realisierung dieses Buch-
Prosit! (lat.: Es möge nützen!)
Prof. Dr. Arno Behr ([email protected])
Prof. Dr. David W. Agar ([email protected])
Prof. Dr. Jakob Jörissen ([email protected] mund.de)
Dortmund, im September 2009
I
Grundlagen
1
Die chemische Industrie
Luftaufnahme eines Chemiewerks,
© LANXESS AG.
1.1 Was ist Technische Chemie?
rate, also auch Aspekte des Maschinenbaus be-
trachtet. Dies ist für den Chemie-Studierenden erst
Die „Technische Chemie“ ist ein Lehrfach an Uni- einmal ungewohnt, denn in den ersten Studiense-
versitäten und Hochschulen. Nach dem die Studie- mestern werden überwiegend Form eln, Strukturen
renden der Chemie in den ersten Semestern ihres und Eigenschaft en chemischer Substanzen und die
Studiums ausreic hend e theoretische Kenntnisse in zugehörigen physikoc hemis chen Grundlagen ge-
Allgemeiner, Anorganischer, Organischer und Phy- lernt. Geht jedoch ein Chemie-Studierender nach
sikalischer Chemie erlangt haben, soll die Techni- seiner Hochschulausbild ung in die chemische In-
sche Chemie einen Blick auf die praktische Anwen- dustrie, muss er in der Lage sein, mit sei nen dorti-
dung dieser Naturwissenschaft in unserer Wirt- gen Kollegen im Team zu kommunizieren, d. h. er
schaft lenken. Es gibt keine „biologische Industrie“, muss in der Lage sein, ihre „Sprache“ zu sprechen
„physikalische Industrie“ oder „mathematische In- und ihre Ziele und Denkweisen kennen. Bei der
dustrie“, wohl aber seit über 150 Jahren eine „chemi- in du stri ellen Realisierung neuer Produkte werd en
sche Industrie“, die in dieser lang en Zeit zahlreiche häufi g Ingenieure, Phys ik er und Kaufl eute mit im
chemische Prozesse entwickelt und dazu vielfältige Team sein, die sich nicht allein für die che mischen
Methoden erarbeitet hat. Das Lehrfach Technische Rea kt ionen und ihre Mec han ismen interessieren,
Chemie gibt einen Überblick über diese Pro zesse son dern auch für Fra gen wie:
und Methoden und erleichtert dadurch den Schritt • In welcher Reinheit will der Kunde das Produkt
von der Universität zur be rufl ichen Praxis. kaufen?
Die Technische Chemie (TC) steht dabei – mit • In welchen Mengen will der Kunde das Produkt
Absicht – zwischen kaufen?
• der klassischen Chemie, also der Lehre von den • Wie aggressiv sind die verwendeten Chemika-
Stoff en und ihrer Umwandlung untereinander, lien? Welche Materialien sind gegen diese Stof-
und fe resistent? Wie lange bleiben die eingesetzten
• dem Chem iei ngenieurwesen, also der Lehre von Werkstoff e stabil?
der Auslegung und Errichtung von Chemiean- • Welche Apparate sind für die Umsetzungen opti-
lagen. mal? Kann ich in diesen Apparat en die gewünsch-
ten Reinheiten und Mengen produzieren?
Dadurch wird die TC teilweise etwas mathemati- • Wie exotherm ist die Reaktion? Wie kann man
scher als die anderen Teilgebiete der Chemie. Eben- diese Wärme aus den Apparat en herausführen?
falls werden in der TC verfahrenstechnische Appa- Kann man diese Wärme noch einmal nutzen?
4 I. Grundlagen
• Was darf das Produkt kosten? Kann man es wirt- Anlage kann schließlich in Form von Fließschema-
schaft lich herstellen? ta sys tematisch be schrieben werden.
• Gelingt eine umweltgerechte Produktion? Kann
man die verwendeten Hilfsmittel wie z. B. Lö-
sungsmittel oder Katalysatoren recyceln? III. Verfahrensentwicklung
• Welcher Katalysator ist der beste? Kann man
noch höhere Ausbeuten und Selektiv itäten er- Bei der Entwicklung neuer chemischer Verfahren
zielen? Wie lange bleibt der Katalysator aktiv? sind zahlreiche Aspekte zu bea cht en. Wichtige Fra-
gen beziehen sich auf die Auswahl der optimalen
Auf alle diese Fragen versucht die Technische Roh stoff e und Synt hesewege, der Verwendung von
Chemie eine Antwort geben. Wie man be reits aus Koppel- und Nebenprodukten und der Nutzung
der Vielfalt dieser Fragen erkennt, besteht die TC von Energieströmen. Auch Sicherheits- und Um-
ihrer seits wieder aus ver schiedenen Teildiszipli- weltaspekte sowie Fragen der Proz esss teuerung
nen, die man grob in folgende Bereiche untertei- sind bei der Verfahrense ntwicklung von großer Be-
len kann: deutung. Eine zen trale Rolle spielt die Auswahl der
optimalen Katalysatoren, da sie die Selektivi tät der
Reaktionen entscheidend beein fl uss en.
I. Grundlagen der Technischen
Chemie
IV. Chemische Prozesse
Zu den Grundlagen der TC gehören z. B. Fragen
der Maßstabsvergrößerung che mi scher Prozesse Alle diese Teildisziplinen der Technischen Che-
oder Informationen über den Verbund von Che- mie münden schließlich in der Pla nung, Errich-
mieanlagen und Chem ief abriken untereinander. tung und im Betrieb chemischer Prozesse. Durch
Spezielle Aspekte der Th ermodynamik und Kine- den Verfahrensver gleich können Schwächen und
tik chemischer Reaktionen müssen – teilweise in Stärken ermittelt und bereits vorhandene Anlagen
Verbindung mit Transportvorgängen – betrachtet syst ematisch verbessert werd en. Da immer wieder
werden, um die Reaktionsapparaturen optimal kon- neue Rohstoff e, Hilfsmittel und Katal ysatoren zur
struieren zu können. Verfügung stehen und andererseits der sich verän-
dernde Markt auch ständ ig neue oder verbesserte
Materialien, Werkstoff e und Substanzen fordert,
II. Reaktions- und Trenntechnik müs sen immer wieder neue chemische Prozesse
entwickelt werden.
Die zentrale Einheit einer Chemieanlage ist der
Reaktor, der in der Industrie – im Gegensatz zum Das vorliegende Lehrbuch Einführung in die Tech-
Labor – sehr unterschiedlich aufgebaut sein kann. nische Chemie wurde in die Teile I bis IV unterglie-
Vor der Reaktion müssen aber die Ausgangsstoff e dert, die den oben vorgestellten vier Teildisziplinen
erst einmal vorbereitet werden, z. B. durch Zerklei- der TC ent sprechen.
nern von Feststoff en oder Trocknen von Lösungs-
mitteln. Auch nach der Reaktion sind häufi g Folge-
schritte notwendig, z. B. Trennschritte wie Destil-
1.2 Chemiewirtschaft
lieren oder Extra hieren. Diese Aufb ereitungs- und
Separationsschritte werden auch als mechanische
und thermische Grundoperationen bezeichnet. In Die Chemiewirtschaft ist in allen industrialisierten
dieser Teildisziplin der TC werden auch Methoden Ländern ein wesentlicher Be stand teil der Volks-
der Mathematik, der Fluiddynamik, der Wärme- wirtschaft . Die größten Chemienationen der Welt
lehre und der Mecha nik eingesetzt. Die gesamte (vgl. Tab. 1.1) sind die USA, China und Japan,