Einführung in die Technische Chemie PDF
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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 Wichtiger Hinweis für den Benutzer Der Verlag, der Herausgeber und die Autoren haben alle Sorgfalt walten lassen, um vollständige und akkurate Informa- tionen in diesem Buch zu publizieren. Der Verlag übernimmt weder Garantie noch die juristische Verantwortung oder irgendeine Haft ung für die Nutzung dieser Informationen, für deren Wirtschaft lichkeit oder fehlerfreie Funktion für einen bestimmten Zweck. Der Verlag übernimmt keine Gewähr dafür, dass die beschriebenen Verfahren, Programme usw. frei von Schutzrechten Dritter sind. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzei- chen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürft en. Der Verlag hat sich bemüht, sämtliche Rechteinhaber von Abbildungen zu ermitteln. Sollte dem Verlag gegenüber dennoch der Nachweis der Rechtsinhaberschaft geführt werden, wird das branchenübliche Honorar gezahlt. Bibliografi sche Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografi e; detaillierte bibliografi sche Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufb ar. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2010 Spektrum Akademischer Verlag ist ein Imprint von Springer 10 11 12 13 14 5 4 3 2 1 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafb ar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigun- gen, Übersetzungen, Mikroverfi lmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. 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,
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