Projektierung und Vorkalkulation in der chemischen Industrie PDF
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Herbert Kölbel· J oachim Schulze Projektierung und Vorkalkulation in der chemischen Industrie Reprint Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1982 Professor Dr. phil. Herbert Kölbel em. Professor der Technischen Universität Berlin Professor Dr.-Ing. Joachim Schulze mr Institut Technische Chemie, Technische Universität Berlin ISBN-13: 978-3-642-68420-3 e-ISBN-13: 978-3-642-68419-7 001: 10.10071978-3-642-68419-7 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek: Kölbel, Herbert: Projektierung und Vorkalkulation in der chemischen Industriel Herben KölbeJ; Joachim Schulze. -Reprint [d. Ausg.) Berlin, Göttingen. Heidelberg, Springer, 1960. -Berlin, Heidelberg, New York, 1982. NE: Schulze,Joachim: Das Werk ist urheberr~chtlich geschützt. Die dadun:h begründeten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugs weiser Verwertung, vorbehalten. Die Vergütungsansprüche des § 54, Abs. 2 UrhG werden durch die »Verwertungs gesellschaft Wort«, München, wahrgenommen. e by Springer-Verlag OHG._B erlin/Göttingen/Heidelberg 1960, Softcover reprint ofthe hardcover I st edition 1960 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 Warenzeichen-und Markenschutz Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Reprographischer Nachdruck: ProfTGmbH & Co. KG, Bad Hünnef Bindearbeiten: Graphischer Betrieb Konrad Triltsch. Würzburg 2060/3014 -5 4 3 2 I Vorwort zur Reprintausgabe Nachdem unser Buch, der "KölbeljSchulze", seit dem Ende der sechziger Jahre vergriffen ist, wurden wir immer wieder aus Kreisen der Industrie und der Hochschule auf eine Neuauflage hin angesprochen. Wir haben dieses Ziel verfolgt, doch war uns die Realisierung aus zeitlichen Gründen und wegen der inzwischen enorm angewachsenen Stoffülle nicht möglich. Die auf den ver schiedenen Teilgebieten der Projektierung und Vorkalkulation von Chemieanlagen international verfügbar gewordene Fach-und insbesondere Zeitschriftenliteratur würde bei erschöpfender Aus wertung zu einem mehrbändigen Werk führen müssen. Wir sind jedoch der Auffassung, daß trotz fortschreitender Auf fächerung und spezialisierender Vertiefung des Gebietes ein vor allem den methodischen und systematischen Grundlagen gewid metes Werk, wie es unser Buch sein sollte, seinen Wert behält, in dem es die übergeordnete Gesamtschau als notwendige Ausgangs basis für das Verständnis der Probleme und der vielfältigen che misch-technisch-wirtschaftlichen Zusammenhänge vermittelt. In zwischen sind auch in der deutschsprachigen Literatur einige Bücher erschienen, die den Gegenstand unserer Monographie teil weise streifen oder überdecken, ohne diese in der zugrundeliegen den Intention zu ersetzen. Die meisten Abschnitte des Buches sind nach wie vor in der dargestellten Form gültig, sie wären vom Leser nur durch Einbeziehung neuer spezieller Arbeitsmethoden, wie vor allem im Bereich der rechnergestützten Berechnungs-und Planungsmethoden, sowie durch Zusammenstellung neuer Daten im System der Richtpreisdiagramme zur Vorkalkulation gesamter Anlagen, von Apparaten und Maschinen sowie sonstiger Anlage komponenten zu ergänzen. Wir haben im Vorwort des Buches im Jahre 1960 auf die große Bedeutung der Projektierung in der chemischen Industrie auf Grund der häufigen Produkt innovationen hingewiesen. Diese haben heute mit zunehmendem Reifegrad der Chemie und durch aufkommende Innovationshemmnisse etwas an Bedeutung ver- 6 Vorwort zur Reprintausgabe loren, was jedoch durch die rohstoffseitig ausgelösten Verfahrens innovationen kompensiert wird. Schließlich erleben wir heute weltweite regionale Strukturverschiebungen, welche auf verschie denen Teilgebieten der chemischen Industrie die Investitions schwerpunkte von den alten Chemieländern weg in andere Teile der Welt verlagern. Auch dies führt beim internationalen Charak ter der chemischen Industrie und des Chemieanlagenbaus nicht zu einer Schmälerung, sondern eher Erweiterung unserer Projekt ierungs- und Vorkalkulationsaufgaben. Unter kritischer Wertung aller Faktoren und auch im Hinblick auf die damals so außerordentlich günstige Aufnahme unseres Buches haben wir uns mit dem Springer-Verlag dazu entschieden, einen unveränderten Nachdruck herauszubringen. Wir hoffen damit wiederum, sowohl den Praktikern in der chemischen Indu strie, im Chemieanlagenbau und Apparatebau als auch den Lehrenden und Lernenden an den Hochschulen dienlich zu sein. Berlin-Charlottenburg, im Januar 1982 Technische Universität Herbert Kölbel J oachim Schulze Projektierung und Vorkalkulation in der chemischen Industrie Von Dr. phil. Herbert Kölbel o. Professor und Direktor des Institutes für Technische Chemie der Technischen Universität Berlin Ehemals Betriebsdil'ektor bei der Rheinprenßen AG für Bergbau und Chemie, Homberg (Xiederrhein) und Dr.-Ing. Joachim Schulze Wirtschaftsingeuieur und Assistent am Lehrstuhl und Institut für Technische Chemie der Technischen Universität Berlin Mit 250 Abbildungen Springer-Verlag Ber linjGöttingenjH eidelb erg 1960 Alle Rechte, insbesondere das (Jer Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten Ohne ausdrückliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestattet, dieses Buch oder Teile daraus auf photomechanischem Wege (Photokopie, Mikrokopie) zu vervielfältigen @ by Springer-Verlag OHG., BerlinjGöttingenjHeidelberg 1960 Softcover reprint of the hardcover I st edition 1960 ISBN-l3: 978-3-642-68420-3 e-ISBN-l3: 978-3-642-68419-7 DOI: 10.1007/978-3-642-68419-7 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buche berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz·Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften Projektierung und Vorkalkulation in der chemischen Industrie Vorwort Die chemische Industrie ist durch ein außergewöhnliches Entwickhmgs tempo gekennzeichnet. Bei vielen namhaften Gesellschaften beträgt der Anteil der nach 1948 neu entwickelten Produkte mehr als 40% der Ge samterzeugung. Bei der starken Konkurrenz und der oft nur beschränkten Nutzungsdauer neuer Produktionsverfahren hängt der wirtschaftliche Erfolg wesentlich von der Schnelligkeit der Investitionsentscheidung und der Errichtung der Anlagen ab. Die Ermittlung des Kapitalbedarfs für die neuen Anlagen, die Vorkalkulation der Kosten der neuen Produkte, die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit und die Technik der Projektierung neuer Anlagen sind hierfür von entscheidender Bedeutung. Es erschien daher notwendig und an der Zeit zu versuchen, die Pro bleme und Methoden der Vorkalkulation und Projektierung bei der aus gedehnten chemischen Industrie Deutschlands zusammenfassend dar zustellen. Im Gegensatz zu dem großen Umfang amerikanischer Spezial literatur fehlt es nämlich bisher an entsprechenden deutschsprachigen Werken, wenn man von Einzelveröffentlichungen absieht, unter denen besonders die Arbeiten von K. SCHOENEMANN zu beachten sind. Diese Tatsache mag unter anderem in den Schwierigkeiten begründet sein, die in der Behandlung der Vorkalkulation und Projektierung 'als einem Grenzgebiet zwischen Chemie, Maschinen- und Apparatebau und Betriebswirtschaft liegen. Die genannten Fachdisziplinen sind so um fangreich und in ihren Denkweisen so verl;lchiedenartig, daß es nicht einfach ist, die chemischen, ingenieurmäßigen und betriebswirtschaft lichen Probleme des Themas erschöpfend zu behandeln. So gebot auch der Rahmen der vorliegenden Monographie, den gesamten Problemkreis von einem mehr übergeordneten Gesichtspunkt zu betrachten und sich bei der Bearbeitung der genannten Teilprobleme auf das zu beschränken, was unmittelbar mit der Projektierung und Vorkalkulation zusammen hängt. Der Leserkreis des vorliegenden Buches wird. sehr heterogen zusammengesetzt und in den Reihen der Chemiker, Technologen, Maschi nenbau- und Apparatebauingenieure, Verfahrenstechniker, Bauplaner und Kaufleute zu suchen sein. Durch zahlreiche Literaturhinweise soll vieles, was je nach der Fachrichtung des Lesers an Grundlagen oder speziellen Angaben bei dieser Heterogenität zwangsläufig vermißt werden muß, leicht auffindbar gemacht und ergänzt werden. Eine besondere Aufgabenstellung lag in der Ableitung von "Richt- VI Vorwort preis-Diagrammen" auf empirisch-statistischer Grundlage, die für die Abschätzung des Anlagekapitalbedarfs seit langem in der internationalen Projektierungspraxis zu einem wesentlichen Hilfsmittel geworden sind. Wenn die dargebotenen Ergebnisse wegen des in Deutschland spärlichen Materials stellenweise lückenhaft geblieben oder teilweise noch hohe Fehlergrenzen in Kauf zu nehmen sind, so mußte doch mit der vor liegenden Arbeit ein erster Schritt getan werden, um den im deutschen Sprachgebiet bisher so vernachlässigten Fragenkomplex zu erschließen. Der Mangel an deutschen Unterlagen war hier wie in verschiedenen anderen Abschnitten die Ursache dafür, daß auf amerikanische Methoden und Daten zurückgegriffen werden mußte, deren Anwendbarkeit für deutsche Verhältnisse nicht immer außer Frage steht. Die vorliegende Monographie ist im Institut für Technische Chemie und im Institut für Industriebetriebslehre (Prof. Dr. K. MELLEROWICZ) an der Technischen Universität Berlin entstanden und im August 1959 abgeschlossen worden. Die bis zu diesem Zeitpunkt erschienenen ein schlägigen Veröffentlichungen, insbesondere das umfangreiche ameri kanische Schrifttum, wurden so vollständig wie möglich berücksichtigt. Unser Dank gebührt in erster Linie der großen Zahl westdeutscher Apparatebau-, Maschinenbau- und Projektierungsfirmen sowie einigen britischen Gesellschaften, die uns das grundlegende Zahlenmaterial überließen und dabei weder Konkurrenzbedenken Raum gaben noch die :Mühe der oft zeitraubenden Ermittlungen scheuten. Namentlich seien hiervon nur die Koppers GmbH in Essen, die Lurgi-Gesellschaften mbH in FrankfurtJMain, die Firma Krebs & Co., Berlin-Frohnau, er wähnt, die darüber hinaus wertvolles Anschauungsmaterial aus der Projektierungspraxis zur Verfügung gestellt haben, sowie von britischer Seite die Firma Petrocarbon Developments, Ltd., London. Die :aerren Dr.-Ing. H.-J. STRÖER und Dr.-Ing. H. ALLHAUSEN vom Verein Deutscher Maschinenbauanstalten (VDMA) und der Fachverband Kohlechemie, Essen, haben uns mit Rat und Tat wertvolle Hilfe ge leistet. Herr Dr.-Ing. H. MIESSNER von den Farbenfabriken Bayer AG. überließ schwer zugängliches Literaturmaterial. Herr Dr.-Ing. H. HAM MER, Institut für Technische Chemie, Technische Universität Berlin, hat bei der Abfassung des Kapitels: "Die Vorprojektierung des chemi schen Reaktors als Aufgabe der chemischen Reaktionstechnik" und beim Lesen der Korrekturen mitgewirkt. Alle, die unsere Arbeit so wesentlich gefördert haben, auch die hier nicht genannten Persönlichkeiten und In st,itutionen, seien unseres besonderen Dankes versichert, den wir mit der Vorlage dieses Bandes abstatten möchten. Berlin-Charlottenburg, im Herbst 1959 Technische Universität Herhert Kölhel Joachim Schulze Inhaltsverzeichnis Seite Verzeichnis der Symbole und Abkürzungen ............................ XIII 1 Allgemeines .................................................... 1 1.0 Geltungsbereich der Untersuchung ............................... 1 1.1 Der Begriff der Projektierung ................................... 1 1.2 Das Wesen der Vorkalkulation und ihre Besonderheiten in der chemi- schen Industrie ................................................ 2 1.3 Die Beziehungen zwischen Projektierung und Vorkalkulation. . .. ... . . 4 1.30 Gliederung der Projektierungsaufgabe in Vor- unO. Ausführungs- projektierung ............................................. 4 L31 Die Beziehungen in den einzelnen Projektierungsstadien ... . . . . . 6 1.32 Stellung lmd Aufgaben der Forschung und Entwicklung bei der Projektierung ............................................. 11 1.4 Zur Methodik der Vorkalkulation und Projektierung . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2 Die Grundlagen der Proj ekti eru ng ............................ 1:3 2.0 Vorprojektierung ............................................ 14 2.00 Die Vorprojektierung des chemischen Reaktors als Aufgabe der chemischen Reaktionstechnik ............................... 14 2.000 Die chemische Reaktion als Ausgangsbasis .............. 15 2.001 Stöchiometrie........................................ 15 2.002 Chemische Thermodynamik ........................... 16 2.003 Chemische Kinetik (Mikrokinetik) ...................... 22 2.004 Die Reaktionsgeschwindigkeit unter dem Einfluß physi- kalischer Transportvorgänge (Makrokinetik) ............. 26 ~.005 Entscheidung über Betriebsform, Betriebsweise und Form- . gebung des Reaktors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31 2.006 Dimensionierung des Reaktors. . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34 2.006.0 Extrapolation der Versuchsergebnisse auf die groß technische Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35 2.006.1 Die Reaktordimensionierung im einzelnen ........ 39 2.006.2 Das wirtschaftliche Optimum bei der Reaktor- dimensionierung ............................. " 45 2.01 Schematische und Verfahrens-Fließbilder ..................... 45 2.010 Das Wesen der Fließbilder ............................ 45 2.011 Schematische Fließbilder ............................. 47 2.012 Verfahrens-Fließbilder ......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. 56 2.02 Materialbilanzen ......................................... " 60 2.03 Energiebilanzen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 2.04 Die Vorbestimmung der Apparatur .......................... 76 2.040 Werkstoffauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 76 2.041 Dimensionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 78 2.042 Die Ermittlung wirtschaftlicher Optima ................ 79 2.042.0 Optimale Betriebsgröße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 79
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