Technische Chemie: Einfuhrung in die Chemische Reaktionstechnik

585 Pages·2005·247.568 MB·German

by  Professor Dr. Gerhard Emig, Professor Dr.-Ing. Elias Klemm (auth.)

Springer-Lehrbuch
Gerhard Emig · Elias Klemm
Technische Chemie
Einführung in die Chemische Reaktionstechnik
Fünfte, aktualisierte und ergänzte Auflage
Mit 176 Abbildungen,
47 Tabellen und 35 Rechenbeispielen
Professor Dr. Gerhard Emig
Universität Erlangen-Nürnberg
Lehrstuhl für Chemische Reaktionstechnik
Egerlandstraße 3
91058 Erlangen
e-mail: [email protected]
Professor Dr.-Ing. Elias Klemm
Technische Universität Chemnitz
Fakultät für Naturwissenschaften
Institut für Chemie
09107 Chemnitz
e-mail: [email protected]
Die 1. Auflage erschien 1975, die 2. Auflage 1982 in der Reihe
HOCHSCHULTEXT, die 3. Auflage 1989 und die 4. Auflage 1995
als SPRINGER-LEHRBUCH
ISBN 3-540-23452-7 Springer Berlin Heidelberg New York
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Vorwort zur fünften Auflage
Die letzte Auflage dieses Lehrbuches ist vor nunmehr 10 Jahren erschienen. Be-
sonders durch die seit der Wende hinzugekommenen Hochschulen in den neuen
Bundesländern haben die Technische Chemie im allgemeinen und die Chemische
Reaktionstechnik im besonderen inzwischen ihren festen Platz in den Lehrplänen
der deutschen wissenschaftlichen Hochschulen.
Die Autoren dieses Buches sind sich daher mit dem Springer-Verlag einig, daß
für dieses Gebiet auch weiterhin deutschsprachige Lehrbücher für Hochschulen
und die industrielle Praxis verfügbar sein sollten. Darüber hinaus haben wir er-
freulicherweise durch vielfältige Rückmeldungen von Lesern erfahren dürfen,
daß sich die Art, wie in diesem Buch das nicht ganz einfache Lehrgebiet der
Chemischen Reaktionstechnik vermittelt wird, nach wie vor großer Zustimmung
erfreut. Auch die in der letzten Auflage angesprochenen Entwicklungstendenzen
haben sich in Richtung der modellierenden Beschreibung und damit des vermehr-
ten Computereinsatzes verstärkt. So wird auch das Anliegen dieses Lehrbuches im
Hinblick auf quantitative Aussagen für die vielfältigen Probleme der Chemischen
Reaktionstechnik, die sich nicht nur auf die chemische Industrie beschränken, be-
kräftigt.
Da inzwischen die beiden Autoren des ursprünglichen „Fitzer-Fritz“ verstorben
sind, ist mit Herrn Prof. Klemm von der TU Chemnitz ein weiterer Autor aus dem
aktiven Hochschuldienst als Koautor aufgenommen worden. Mit ihm, der sich bei
Prof. Emig an der Universität Erlangen-Nürnberg habilitierte, ist eine Weiterführung
und stetige Ergänzung des Lehrinhalts im Sinne einer modernen Reaktionstech-
nik gewährleistet. Folgende Änderungen zeichnen die neue Auflage des Lehr-
buches aus:
1. Ein zusätzliches Kapitel über Mikroreaktionstechnik und Mikroreaktoren
(Kap. 16). Wir glauben, daß wir hier eine Darstellung dieses neuen und zu-
kunftsträchtigen Gebietes gefunden haben, wie sie bisher noch in keinem ande-
ren Lehrbuch zu finden ist. Vor allen Dingen war das Ziel, die Mikroreaktions-
technik in das Gebiet der klassischen Reaktionstechnik einzubinden.
2. Auch das Kapitel 1 mit den wirtschaftlichen Daten zu Industriefirmen und
Produkten wurde mit aktuellen Zahlen und mit der Umstellung auf den Euro
völlig neu abgefaßt.
3. Der mathematische Anhang wurde, speziell was die verfügbare kommerzielle
Software anbelangt, auf den neuesten Stand gebracht.
VI Vorwort zur fünften Auflage
Dem Springer-Verlag, vertreten durch Frau Simone Schlegel, möchten wir für die
gute Zusammenarbeit und die gelungene und ansprechende Form dieses Lehrbuches
danken.
Erlangen/Chemnitz, im März 2005 Gerhard Emig
Elias Klemm
Vorwort zur vierten Auflage
Seit der letzten Auflage des vorliegenden Lehrbuchs sind sechs Jahre vergangen. In
dieser Zeit ist die Bedeutung der Technischen Chemie im allgemeinen und der
Chemischen Reaktionstechnik im besonderen, in Aus- und Weiterbildung an den
Hochschulen weiter gewachsen. Intelligente und innovative Lösungen in Produk-
tion, Energieerzeugung und produktionsintegriertem Umweltschutz sowie schnelle
Umsetzung von Laborergebnissen in den Produktionsmaßstab sind besonders
gefragt und erfordern den zunehmenden Einsatz der modernen Methoden der
Chemischen Reaktionstechnik. Gleichzeitig hat sich das Gebiet der Chemischen
Reaktionstechnik weiterentwickelt; neue Entwicklungstendenzen, besonders im
Bereich der Modellierung und damit der Computeranwendung sind zu erkennen.
Dies ist auch der Grund, weshalb das Autorenteam um ein weiteres Mitglied aus
dem aktiven Hochschuldienst ergänzt wurde.
Aus Leserumfragen ist uns bekannt, daß die inzwischen bewährte Form und der
Charakter dieses klassischen Lehrbuchs beibehalten werden sollte. Gleichzeitig
mußte bei dieser Neuauflage aber berücksichtigt werden, was die Leser bei Umfragen
an konstruktiver Kritik beigesteuert haben und gleichzeitig auch neuen Entwicklun-
gen entspricht.
Neu in das Lehrbuch aufgenommen wurden daher:
1) Ein Kapitel (Kap. 15) über Fluid-Fluid-Reaktionen. Dies trägt der großen
Bedeutung dieser Reaktionsklasse in der chemischen Technik Rechnung.
2) Ein sehr stark ausgeweiteter mathematischer Anhang mit den wichtigsten
numerischen Verfahren, zugeschnitten auf den Computereinsatz. Ein Abschnitt
über kommerziell erhältliche Software für Workstation und PC soll dem Leser
den Einstieg in die Anwendung erleichtern. Dieser Anhang weist auf die
unbedingte Notwendigkeit dieses Werkzeugs in der heutigen Ausbildung hin.
3) Ein umfangreicher Abschnitt über die Stöchiometrie chemischer Reaktionen
mit illustrativen Beispielen (Abschnitt 4.1.2). Diese Ausweitung soll die hier
notwendigen Begriffe und Methoden klären, die heute bei der Anwendung von
Reaktorauslegungssoftware vorausgesetzt werden.
4) Ein Abschnitt über Wirbelschichtreaktoren (13.3.2), in den die neueren Untersu-
chungen zur Modellierung blasenbildender Wirbelschichten des neuen Koautors
eingeflossen sind.
5) Das Symbolverzeichnis, um einmal die einheitliche Nomenklatur zu verdeutli-
chen und zum anderen die Benutzung von Formeln, Abbildungen und Tabellen
zu erleichtern.
VIII Vorwort zur vierten Auflage
Angepaßt an neuere Erkenntnisse und Daten wurden:
1) Alle Tabellen und Abbildungen mit betriebswirtschaftlichen Daten.
2) Der Abschnitt (4.4) über Grundlagen zur Berechnung des Stoffübergangs und
des Stoffdurchgangs.
3) Die Abschnitte über Festbettreaktoren (13.3.1) und optimale adiabatische
Reaktionsführung (13.3.1.4).
4) Das Kapitel über Reaktionstechnik der Polyreaktionen (16)
In einigen Fällen, wie beispielsweise bei der Verweilzeitverteilung, wurden die
verwendeten Symbole an die international übliche Nomenklatur angepaßt. Generell
wurden viele kleine Details in Text und Abbildungen in vielen Kapiteln verbessert,
die hoffentlich die Akzeptanz des Buches beim Leser weiter erhöhen.
Es war zunächst noch beabsichtigt worden, jeweils ein Kapitel über „Reaktions-
technik im Umweltbereich“ unter Einbeziehung sicherheitstechnischer Aspekte und
eine Kapitel über „Neue Konzepte in der Reaktionstechnik“ einzufügen. Beide
Kapitel sind in Vorbereitung und sollen der nächsten Auflage vorbehalten bleiben.
Allen, die auf vielfältige Art zu dieser vierten Auflage beigetragen haben, danken
wir bestens. Namentlich erwähnen wollen wir Herrn Dipl.-Ing. H. Seiler, Lehrsuhl
für Technische Chemie I, Universität Erlangen-Nürnberg, der wesentliche Beiträge
zu den neuen Abschnitten geliefert hat. Herrn Dr. H. Mahnke, BASF, und Herrn
Dr. H.J. Mohr, Hoechst AG, danken wir für Hinweise und die Bereitstellung neuerer
wirtschaflicher Daten. Dem Springer-Verlag, vertreten durch Frau Dr. M. Hertel,
gilt unser besonderer Dank für die gute Zusammenarbeit und die gelungene und
ansprechende Form dieses Lehrbuchs. Leider konnte sich der unten erstgenannte
Autor aus gesundheitlichen Gründen nicht mehr an der Vorbereitung dieser
Neuauflage beteiligen.
Karlsruhe/Erlangen, im August 1995 E. Fitzer, W. Fritz, G. Emig
Vorwort zur ersten Auflage
Die Lehrinhalte der „Technischen Chemie" basieren auf der klassischen physikali-
schen Chemie, der chemischen Technologic und der Verfahrenstechnik. Die
„Chemische Reaktionstechnik" - die Wissenschaft von der technischen Reaktions-
fiihrung - kann als Kernstiick der modernen „Technischen Chemie" bezeichnet
werden.
In diesem Lehrfach treffen sich die Studiengange der Chemiker, der Chemie-
Ingenieure und eines Teils der Wirtschafts-Ingenieure. Es soil die Studenten dieser
verschiedenen Studienrichtungen zusammenfiihren und ihnen nicht nur das notwen-
dige Grundwissen, sondern auch gemeinsame Denkweise und Fachsprache vermit-
teln. Dadurch werden die Studierenden auf ihre spatere Berufsarbeit vorbereitet, die
sich zunehmend in einem Team aus Naturwissenschaftlern, Ingenieuren und
Betriebswissenschaftlern voUzieht. Der uberwiegende Anteil aller an deutschen
Universitaten ausgebildeten Chemiker und praktisch alle Chemie-Ingenieure iiben
ihren Beruf in der Industrie selbst oder in mit dem industriellen Geschehen
verkniipften Berufszweigen aus. Was die Chemiker betrifft, so hat die Statistik des
Fonds der Chemischen Industrie (1973/74) das MiBverhaltnis zwischen beruflich
ausgeiibter Tatigkeit und dem Schwerpunkt der wissenschafthchen Ausbildung an
den Universitaten in der Bundesrepublik besonders deutlich gemacht. In Tabelle 1
sind die Anteile aller in der Industrie arbeitenden promovierten Chemiker in den
einzelnen chemischen Fachgebieten, in denen sie zur Zeit tatig sind, angegeben und
Tabelle 1
Fachgebiet Arbeitsgebiete der 1972 Fachgebiete der
in der chemischen Dissertation der 1972
Industrie tatigen promovierten Chemiker
promovierten Chemiker
in % in %
Technische Chemie 14,8 4,9
Polymer-Chemie 8,0 9,3
Organ. Chemie 34,6 52,5
Anorgan. Chemie 6,8 11,1
Analyt. Chemie 2,5 1,8
Phys. Chemie 2,5 7,4
Biochemie 5,5 6,8
Sonstige 25,3 6,2
X Vorwort zur ersten Auflage
der Verteilung der 1972 promovierten Chemiker auf die Fachgebiete ihrer Disserta
tion gegenubergestellt.
In diesem MiBverhaltnis spiegelt sich die unzureichende Anzahl von Lehrstiihlen
und Dozenten fiir das Fachgebiet „Technische Chemie" und der im Vergleich dazu
viel starkere Ausbau der Facher der Grundlagenchemie wider. Diese Vernachlassi-
gung der „Technischen Chemie" beim Ausbau der Universitaten ist Ausdruck einer
Geisteshaltung in der ersten Phase des Wiederaufbaus nach dem Zusammenbruch.
Das Universitatsstudium soUte den jungen Akademiker zur reinen Wissenschaft
fuhren mit dem Ziel der Vermehrung und Vertiefung unserer Erkenntnisse uber die
naturwissenschafthchen Zusammenhange. Dabei hat man aber die Vorbereitung auf
das Berufsleben vernachlassigt.
Keine moderne Industriegesellschaft kann jedoch auf die Anwendung der
naturwissenschafthchen Erkenntnisse mit wissenschafthchen Methoden verzichten.
Viele Universitats-Absolventen waren und sind auch heute noch gezwungen, sich mit
dem fiir sie so wichtigen Fachgebiet der „Technischen Chemie" im Eigenstudium
vertraut zu machen. Helfend greifen seit Jahren auch technisch-wissenschaftHche
Vereine, wie die „DECHEMA", mit Ausbildungskursen in „Technischer Chemie"
ein.
Andererseits fehlt es an einer Selbstdarstellung der „Technischen Chemie" in
Form eines modernen Lehrbuches. Seit dem 1958 erschienenen Lehrbuch von Brotz
iiber „Chemische Reaktionstechnik" ist im Schrifttum der Bundesrepublik auBer
einer Ubersetzung von Denbigh/Turner „Chemical Reactor Theory" (1971) und von
Handbuchkapiteln uber „Chemische Reaktionstechnik" (Winnacker-Kiichler, 2.
Aufl., Bd. 1, 1958; Ullmanns Encyklopadie der technischen Chemie, 4. Aufl., Bd. 1,
1972) keine geschlossene Lehrbuchdarstellung iiber „Technische Chemie" erschie-
nen. Diese Liicke soil durch das vorliegende Lehrbuch geschlossen werden, das als
grundlegende Einfiihrung in das Gebiet der Technischen Chemie geschrieben wurde.
Es ist aus Vorlesungen der Autoren seit 1962 an der Universitat Karlsruhe entstanden
und auf die Vorkenntnisse der Studenten der Chemie und des Chemieingenieurwe-
sens nach der Diplom-Vorpriifung abgestimmt. Es konnte, wie die Autoren hoffen,
auch vielen Chemikern und Ingenieuren, die bereits im Beruf stehen, eine Hilfe beim
weiterbildenden Selbststudium bieten. Es sollte auch fiir andere Berufsgruppen, die
am chemisch-technischen Geschehen interessiert oder in der chemischen Industrie
tatig sind, wie Betriebswirten, Kaufleuten, Juristen sowie Verwaltungsbeamten
verstandUch und fiir diese von Nutzen sein.
Bei einem kurzgefaBten einfiihrenden Lehrbuch kommt es hauptsachlich auf die
didaktisch richtige Auswahl des Stoffes und eine Darstellung aus moderner Sicht an.
Dabei soil dem Leser der Weg zu weiterfiihrender Literatur erleichtert werden. Auf
anderen Fachgebieten der Chemie konnen Autoren auf eine Fiille vorangegangener
Lehrbucher zuriickgreifen. Die Stoffabgrenzung sowie die anzuwendende Art der
Darstellung ist weitgehend festgelegt, und es bedarf nur weniger Korrekturen in
Richtung einer Modernisierung.
Im Falle der „Technischen Chemie" kann beziiglich der Stoffabgrenzung auf kein
vorangegangenes Lehrbuch zuriickgegriffen werden; es besteht jedoch hinsichtlich
der Stoffabgrenzung eine einheitliche Meinung unter den Universitatslehrern der
Bundesrepublik, der im vorliegenden Lehrbuch Rechnung getragen wurde. Was die
Vorwort zur ersten Auflage XI
Darstellung des Lehrstoffes anbelangt, wurde versucht, so weit wie moglich die in der
in- und auslandischen Literatur verwendete beizubehalten.
Es war jedoch eine Abanderung und Vereinheitlichung der Begriffsbestimmungen
sowie der verwendeten Symbole unerlaBlich. Durch Ubernahme einiger Rechenbei-
spiele aus friiheren Lehrbuchern soil dem Leser jedoch der Vergleich anhand dieser
numerischen Berechnungen erleichtert werden. Soweit moglich, wurden festgelegte
Internationale Symbole verwendet. Als Leitfaden gait in jedem Fall die in der Chemie
iibliche Nomenklatur. Wir benutzen in diesem Werk auch konsequent die Einheiten,
die heute in der chemischen Technik noch iibHch sind. Die Durchsetzung der SI-
Einheiten in der chemisch-technischen Praxis diirfte - realistisch gesehen - noch viele
Jahre dauern. Ihre Benutzung wiirde im gegenwartigen Zeitpunkt fiir die Studieren-
den der Universitaten wohl vorteilhaft sein, fur den Praktiker aber mehr Verwirrung
stiften, als Nutzen bringen. Um die Ubergangszeit zu erleichtern, findet der Leser auf
der dritten Umschlagseite dieses Buches eine Umrechnungstabelle.
Das Lehrbuch ist am Institut fiir Chemische Technik der Universitat Karlsruhe
entstanden. Damit wird auch die Tradition des bekannten Lehrbuches von F. A.
Henglein (GrundriB der Chemischen Technik), welches 16 Auflagen erreicht hat,
durch den Nachfolger auf Henglein's ehemaligem Lehrstuhl, zusammen mit einem
seiner Schiiler, indirekt forgesetzt. Henglein kommt das Verdienst zu, als erster
erkannt zu haben, daB ein Lehrbuch der Chemischen Technik nicht nach Produkt-
sparten geghedert sein soUte. Die allgemeine Behandlung des Lehrstoffes, losgelost
von den individuellen chemischen Prozessen, hat Henglein jedoch nur in bezug auf
die Grundoperationen, d. h. den verfahrenstechnischen Teil, konsequent durchge-
fiihrt, wahrend sich zu seiner Zeit die Chemische Reaktionstechnik erst im
Anfangsstadium befand und daher in seinem Lehrbuch noch keine Beriicksichtigung
gefunden hat.
Analysiert man den Anteil der einzelnen Produktsparten der chemischen
Industrie, so fallt der iiberragende Anteil an Polymerprodukten und seine steigende
Tendenz auf. Auch aus der vorne wiedergegebenen Tabelle iiber die praktisch
ausgeiibten Tatigkeitssparten der Chemiker in der Industrie erkennt man die
Bedeutung dieses Spezialgebietes der Chemie. Die Autoren haben sich deshalb
entschlossen, ein eigenes Kapitel iiber die Anwendung der Chemischen Reaktions
technik auf Polymerreaktionen, das einzige auf eine Produktsparte bezogene Kapitel,
in das Lehrbuch aufzunehmen. Sie sind Herrn Prof. Dr. Heinz Gerrens besonders
dankbar, daB er sich bereit erklart hat, dieses Kapitel zu verfassen. Er hat diese
Aufgabe trotz seiner beruflichen Belastung als Abteilungsdirektor der BASF
iibernommen, weil er die groBe technische Bedeutung dieses Gebietes kennt und sich
aufgrund seiner Lehrerfahrung am Institut fiir Chemische Technik der Universitat
Karlsruhe zwanglos an die Darstellung im vorliegenden Lehrbuch anpassen konnte.
Die Anwendung der Chemischen Reaktionstechnik ist jedoch nicht auf Polymer
reaktionen beschrankt. Die Produktionsverfahren fur die anorganischen Grundche-
mikalien sind bekanntlich bei der Entwicklung der Chemischen Reaktionstechnik
Pate gestanden. Die petrochemischen, aber auch die klassischen organischen
Syntheseverfahren sind heute ohne wissenschaftliche Reaktionstechnik nicht mehr
vorstellbar. Ebenso beruhen die Fortschritte in der Metallurgie auf einer Verbesse-
rung und zum Teil sogar auf einer Revolutionierung der technischen Reaktionsfiih-