Chemische Technik/ Verfahrenstechnik Daniel S. Christen Praxiswissen der chemischen Verfahrenstechnik Handbuch für Chemiker und Verfahrensingenieure 123 123 Prof. Dr. Daniel S. Christen Berner Fachhochschule Hochschule für Technik und Informatik Pestalozzistr. 20 3400 Burgdorf Switzerland [email protected] isbn 3-540-40322-1 Springer Berlin Heidelberg New York Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische iDsabtenn s i3n-d5 i4m0 I-n4te0rn3e2t 2ü-b1e rS <phrttipn://gdenrb .dBdebr.dlei>n a Hufreuifdbaerlberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Ddeire VDeeruvtiseclhfäel tBigibulniogt haeukf vaenrdzeeriechnn Wete dgeiens eu Pnudb dliekra Stipoeni cihne dreurng in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur Dauesuztusgchswene iNseart iVoenrawlberibtulinogg,r vaofireb; edheataltiellnie. Ertien eb iVbelriovgierlaffäilstcighueng dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutsch- Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> aufrufbar land vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwi- Ddeirehseasn Wdleurnkg iesnt uurnhteerbleiergreecnh dtleinch S tgreasfcbheüsttzimt. Dmiuen dgaednu drcehs Ubrehgerübnerdreetcehnt sRgeecshettez,e isn.sbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder dSperr iVnegrevri eisltfä elitnig Uunntge ranuef hamndeenr venon W Sepgreinn guenr dS cdieern cSep+eBicuhseirnuensgs Mine Ddiaatenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur springer.de auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im E©i nSpzerlifnaglle nr-uVre irnl adge nB eGrrleinn zHeeni ddeelrb geersge 2tz0l0ic5hen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutsch- lParnindt veodm in 9 G. Seerpmteamnyber 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwi- derhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch Sophrnien bgeesro isntd eeirne UKnetnenrzneeihcmhneunn vgo nni cShptr zinug deerr S Acniennachem+Be,u dsainße ssosl Mcheed Niaamen im Sinne der Warenzeichen- und Marken- sspchriuntgze-Gr.deseetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. ©So Sllpter iinng derie-Vseemrla Wg eBrekr ldinir Heketi doedlebre irngd 2i0re0k5t auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI,VDE) Bezug ge- Pnroimntmede nin o Gdeerrm auans yihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für Richtigkeit, Vollständigkeit oder DAkiet uWaliietdäte ürgbaebren evhomn eGne. bErsa eumchpsfnieahmlte snic, hH, gaengdeeblsennaemnfeanll,s W füarr denieb eeizgeeinchenn uAnrgbeenit euns wdi. ei nv odllisetsäenmd iWgeenr kV obresrcehcrhifttiegnt aoudcehr Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Marken- sScahtzu:t Az-uGtoerseentzdgaetbenu,n Cgo amlsp furetei rz tuo b peltartaechten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. SEoinllbtea nind gdeisetsaeltmun Wg:e Srtkr udviree &k tP oardtenre irn, Hdeiriedketlb aeurfg Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI,VDE) Bezug ge- nommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für Richtigkeit, Vollständigkeit oder 68/3020 uw – Gedruckt auf säurefreiem Papier – 5 4 3 2 1 0 Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: Autorendaten, Computer to plate Einbandgestaltung: Struve & Partner, Heidelberg 68/3020 uw – Gedruckt auf säurefreiem Papier – 5 4 3 2 1 0 Vorwort Es existieren ja schon einige Bücher auf dem Gebiet der chemischen Ver- fahrenstechnik. Warum soll noch ein neues dazukommen? Die bisher ver- öffentlichten Bücher bieten zum Teil gute Kurzübersichten zum Thema oder bestechen durch tolle Abbildungen, dafür verzichten sie auf einfach- ste Erklärungen und Berechnungen. Andere Bücher wiederum sind äußerst umfangreich und verwirren mit komplexen mathematischen Herleitungen oder für den Praktiker unnötigen historischen Ausflügen. Im Gespräch mit Studenten, Technikern, Ingenieuren und Chemikern manifestierte sich immer wieder das Verlangen nach einem Buch, welches das Thema knapp aber doch erschöpfend darzustellen vermag, welches Verständnis weckt, welches zielgerichtete Ratschläge gibt und die Plausibilität von Annahmen und Resultaten durch unkomplizierte Berechnungen zu überprüfen erlaubt. Viel Wissen steht heute im Internet und kann zügig heruntergeladen werden. Informationen lassen sich auch von Apparateherstellern, Anlage- bauern, Ingenieurbüros oder anderen Anwendern beziehen. Doch wer täg- lich in Forschung, Entwicklung oder Produktion tätig ist, weiß wie viel Zeit ein solches Vorgehen erfordert und dass die erhaltenen Auskünfte nicht immer als zuverlässig zu erachten sind. Wie wertvoll ist da ein eige- nes Nachschlagewerk, in dem man in Minutenschnelle zu den relevanten Informationen vorstößt und bei Bedarf auch gleich die physikalisch- chemischen Grundlagen nachschlagen kann? Das vorliegende Buch stellt das Wissen der chemischen Verfahrens- technik in umfassender und zusammenhängender Form dar. Formeln und Symbole werden einheitlich und gemäß den neusten Normen verwendet. Die Herleitungen erfolgen didaktisch aufbauend von den Grundlagen bis zu den Anwendungen, von der Forschung im Labor bis zur Herstellung im großtechnischen Maßstab. Das Buch richtet sich an den versierten und an Zusammenhängen interessierten Leser, der die Prozesse der chemischen Verfahrenstechnik ursächlich verstehen möchte. Es richtet sich genauso gut auch an den Praktiker, der in Kenntnis der Hintergründe ein Verfahren zu optimieren versucht. Es richtet sich an all diejenigen, die sich mit Freu- de und Begeisterung mit der faszinierenden Welt der Chemie, der chemi- VI Vorwort schen Produktion und des chemischen Apparatebaus auseinanderzusetzen gedenken. „Errare humanum est“, Irren ist menschlich! Das Buch erscheint in sei- ner ersten Auflage. Die Niederschrift erfolgte nach bestem Wissen und Gewissen. Trotzdem können sich Fehler eingeschlichen haben oder gewis- se Sachverhalte missverständlich dargestellt sein. Sollte dies vorkommen, möchte ich mich dafür entschuldigen. Für Verbesserungshinweise bin ich immer dankbar. Für Irrtümer und Schäden, die als Folge des Gebrauchs dieses Buchs entstehen, kann ich aber keine Haftung irgendwelcher Art übernehmen. Die mit diesem Buch erhaltenen Resultate sind stets hin- sichtlich ihrer Plausibilität kritisch zu überprüfen, mit Fachleuten zu be- sprechen und bei Bedarf im Experiment zu bestätigen. Die Versuche sind unter geeigneten Bedingungen durchzuführen, die auch ein extremes, un- erwartetes Verhalten aufzuzeigen in der Lage sind. Die zuverlässigsten Grundlagen ergeben sich aus Experimenten in Zusammenwirkung mit fun- diertem wissenschaftlichen Verständnis. Noch sind nicht alle Einheitsoperationen der chemischen Verfahrens- technik in diesem Buch beschrieben. Das soll in späteren Auflagen nach- geholt werden. Der Schwerpunkt dieser ersten Auflage liegt auf der kor- rekten und weit reichenden Darstellung der Grundlagen der chemischen Verfahrenstechnik. An der Illustration des Buchs haben verschiedene Personen mit gehol- fen, denen ich allen danke. Besonders hervorheben möchte ich die Leis- tungen von Herrn Daniel Leuenberger, Chemiker FH, für das Zeichnen der meisten der z.T. komplexen Abbildungen, was er mit viel technischem Sachverstand ausführte. Meinen Familienangehörigen und Freunden danke ich für ihr Verständnis, dass ich einen großen Teil meiner Freizeit dem Verfassen dieses Buchs gewidmet habe. Viel Vergnügen beim Lesen und erfolgreiches Gelingen bei der Anwen- dung des erworbenen Wissens wünscht Ihnen Bern, im Juni 2004 Daniel Siegfried Christen Aufbau des Buches Das vorliegende Buch gliedert sich in vier Teile, wobei jeder Teil für sich einen wesentlichen Teilbereich der chemischen Verfahrenstechnik ab- deckt. Der Inhalt der vier Teile sei hier anhand der wichtigsten Kapitel kurz vorgestellt. Teil I: Chemische und verfahrenstechnische Grundlagen Einführung, Projektierung, Werkstoffe, Reaktionstechnik Teil II: Submikroskopische Ausgleichsvorgänge Strömungslehre, Wärmeübertragung, Stofftransport Teil III: Grundoperationen der chemischen Verfahrenstechnik Mischen/ Rühren, Sedimentieren, Verdampfen, Kondensieren, Destillieren, Rektifizieren, Trocknen Teil IV: Regelungstechnik Steuerung und Regelung, Reglertypen, Regelgüte, Einstellregeln für in- dustrielle Regler, komplexe Regelsysteme, Prozessleittechnik Teil I liefert die Grundlagen der chemischen Verfahrenstechnik. Im Ka- pitel „Einführung“ wird die einheitliche Verwendung von Symbolen und Maßeinheiten entsprechend den neusten Richtlinien und Normen vorge- stellt. Dazu gibt es Adresshinweise auf Fachorganisationen, bei denen weitergehende Informationen und Unterlagen angefordert werden können. Das Kapitel „Projektierung“ beschreibt das Vorgehen zur folgerichtigen Umsetzung von Laborprozessen in den großtechnischen Maßstab. Dabei stehen Projektabläufe und die Projektorganisation im Vordergrund. Das Kapitel „Werkstoffe“ befasst sich mit Korrosion und Verschleiß sowie mit dem Ziel, einen für den Prozess geeigneten, Chemikalien beständigen Werkstoff auswählen zu können. Das Kapitel „Reaktionstechnik“ ver- gleicht verschiedene Reaktortypen und liefert Methoden zur Berechnung von Umsatz und Ausbeute. VIII Aufbau des Buches Teil II befasst sich ausschließlich mit submikroskopischen Ausgleichs- vorgängen, die allesamt auf der Bewegung von kleinen Teilchen beruhen. Wenn sich einzelne Atome, Moleküle oder ganze Molekülpakete gegen- einander verschieben, so entsteht Reibung zwischen den Teilchen. Mit den Teilchen selbst werden Wärme und Stoff verschoben. Insgesamt entstehen so Impuls-, Wärme- und Stofftransporte, die darauf ausgerichtet sind, örtli- che Unterschiede in Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur und Konzen- tration auszugleichen. Das Kapitel „Strömungslehre“ liefert Methoden zur Berechnung von Druckabfall und Impulskräften in Rohrleitungen und Fall- filmen. Im Unterkapitel „Rheologie“ werden nicht Newton’sche, zähflie- ßende Medien behandelt. Das Kapitel „Wärmeübertragung“ liefert Metho- den zur Berechnung von Wärmeflüssen, wie sie in Wärmeübertragern oder in Rührkesseln ablaufen. Das Kapitel „Stofftransport“ befasst sich mit dem Ausgleich von Konzentrationsunterschieden. Ein abschließendes Unterka- pitel führt die Strömungslehre, die Wärmeübertragung und den Stofftrans- port auf gemeinsame physikalische Ursachen zurück. Teil III geht auf die Grundoperationen der chemischen Verfahrenstech- nik ein. Chemische Grundoperationen sind Prozesse, bei denen eine Stoff- umwandlung nach technisch einheitlichem Muster erfolgt. Man unter- scheidet zwischen mechanischen und thermischen Grundoperationen je nachdem, auf welchen Prinzipien die stoffliche Veränderung beruht. Me- chanische Grundoperationen beschreiben z.B. die Kapitel „Mischen/ Rüh- ren“ oder „Sedimentieren“. Thermische Grundoperationen beschreiben z.B. die Kapitel „Verdampfen“, „Kondensieren“, „Trocknen“, „Destillie- ren“ oder „Rektifizieren“. Teil IV beinhaltet die Regelungstechnik, wie sie zur Prozessautomation eines modernen chemischen Verfahrens benötigt wird. Der Teil beginnt mit einer Einführung in die Grundlagen der Regelungstechnik und umfasst Kapitel wie „Steuerung und Regelung“, „Reglertypen“, „Regelgüte- kriterien“, „Einstellregeln für industrielle Regler“ und „Komplexe Regel- systeme“. Das letzte Kapitel „Prozessleittechnik“ beschreibt die Funktion zeitgemäßer Automations- und Überwachungssysteme und gibt Sicher- heitshinweise zur Führung Computer gesteuerter Anlagen. Das Buch enthält viele Abbildungen, Formeln und Tabellen, die eine überschlagsmäßige Abschätzung von Prozessen und Verfahren ermögli- chen. Am Ende eines jeden Kapitels sind Testfragen und Aufgabenstellun- gen aus der Praxis angefügt, um das persönlich erworbene Fachwissen zu überprüfen und zu festigen. Die Lösungen sind am Ende der jeweiligen Buchteile separat aufgeführt. Ein ausführliches Sachverzeichnis am Ende des Buchs erlaubt ein schnelles Auffinden von relevanten Textstellen. Inhalt Teil I Grundlagen.......................................................................................1 1 Einführung..............................................................................................3 1.1 Definitionen......................................................................................3 1.2 Fachorganisationen...........................................................................8 Europa...............................................................................................8 Deutschland......................................................................................9 Schweiz...........................................................................................10 Österreich.......................................................................................10 1.3 Maßeinheiten..................................................................................11 1.4 Fragen aus der Praxis......................................................................18 1.5 Literatur..........................................................................................18 2 Projektierung........................................................................................21 2.1 Maßstabsvergrößerung...................................................................21 Ähnlichkeiten.................................................................................21 Scale-Up Methoden........................................................................24 Dimensionslose Kenngrößen..........................................................26 Buckingham Π-Theorem................................................................30 2.2 Planung von Chemieanlagen..........................................................33 Blockschema...................................................................................34 Verfahrensfließbild.........................................................................34 RI-Schema......................................................................................36 Anlagenmodell................................................................................38 Rohrleitungsmodell........................................................................38 CAD-3D-Grafik..............................................................................39 Isometrische Zeichnung..................................................................40 2.3 Projektmanagement........................................................................41 Projektphasen.................................................................................41 Projektorganisation.........................................................................46 X Inhalt 2.4 Zeit- und Ressourcenplanung.........................................................49 Balkendiagramme...........................................................................50 Netzplandiagramme........................................................................51 Zuordnung von Ressourcen............................................................56 2.5 Fragen aus der Praxis......................................................................57 2.6 Literatur..........................................................................................58 3 Werkstoffe.............................................................................................59 3.1 Mechanische Eigenschaften............................................................59 Festigkeit........................................................................................59 Kerbschlagzähigkeit.......................................................................65 Härte...............................................................................................66 3.2 Korrosion........................................................................................71 Definitionen....................................................................................71 Voraussetzungen.............................................................................72 Korrosionsarten..............................................................................75 3.3 Korrosionschutz..............................................................................78 Werkstoff........................................................................................79 Beschichtung..................................................................................79 Konstruktion...................................................................................84 Elektrischer Strom..........................................................................85 Medium...........................................................................................85 3.4 Eisen & Stahl..................................................................................88 Herstellung.....................................................................................88 Unlegierter Stahl.............................................................................89 Legierter Stahl................................................................................92 Gusseisen........................................................................................95 3.5 Nicht-Eisenmetalle.........................................................................96 Leichtmetalle..................................................................................97 Schwermetalle................................................................................99 Sondermetalle...............................................................................104 Edelmetalle...................................................................................108 3.6 Keramiken....................................................................................110 Tonkeramik...................................................................................111 Glas...............................................................................................115 Kunstkohle & Elektrographit........................................................120 3.7 Kunststoffe...................................................................................121 Thermoplaste................................................................................127 Duroplaste.....................................................................................134 Elastomere....................................................................................136 Inhalt XI 3.8 Naturstoffe....................................................................................142 Holz..............................................................................................142 Steine............................................................................................144 3.9 Fragen aus der Praxis....................................................................144 3.10 Literatur......................................................................................145 4 Reaktionstechnik.................................................................................147 4.1 Begriffe.........................................................................................147 Homogene und heterogene Reaktionen........................................147 Strömungsführung........................................................................148 Umsatz, Ausbeute, Selektivität, Leistung, Kapazität....................150 4.2 Reaktoren......................................................................................152 Rührkessel....................................................................................153 Rohrreaktor...................................................................................155 Kolonne, Säule, Turm...................................................................156 Wirbelschichtreaktor....................................................................158 4.3 Stoffbilanzen.................................................................................163 Idealer diskontinuierlich betriebener Rührkessel.........................165 Idealer kontinuierlich betriebener Rohrreaktor............................166 Idealer kontinuierlich betriebener Rührkessel..............................167 Vergleich der idealisierten Reaktortypen.....................................168 4.4 Verweilzeitverteilung...................................................................169 Rohrreaktor...................................................................................169 Kontinuierlich betriebener Rührkessel.........................................170 Rührkesselkaskade........................................................................171 4.5 Fragen aus der Praxis....................................................................173 4.6 Literatur........................................................................................174 5 Berechnungen und Antworten zu Teil I............................................175 5.1 Einführung....................................................................................175 5.2 Projektierung................................................................................176 5.3 Werkstoffe....................................................................................178 5.4 Reaktionstechnik..........................................................................179 Teil II Ausgleichsvorgänge....................................................................183 6 Strömungslehre...................................................................................185 6.1 Einleitung......................................................................................185 Flüssigkeiten und Gase.................................................................185 Kontinuitätsgleichung...................................................................185 Ideale und reale Fluide.................................................................187
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