Description
Book SynopsisDas grundlegende Lehrbuch der Technischen Chemie mit hohem Praxisbezug in der dritten Auflage:
* beschreibt didaktisch äußerst gelungen die Bereiche - chemische Reaktionstechnik, Grundoperationen, Verfahrensentwicklung sowie chemische Prozesse
* alle Kapitel wurden komplett überarbeitet und aktualisiert
* zahlreiche Fragen als Zusatzmaterial für Studenten online auf Wiley-VCH erhältlich
* unterstützt das Lernen durch zahlreiche im Text eingestreute Rechenbeispiele, inklusive Lösung
* setzt neben einem grundlegenden chemischen Verständnis und Grundkenntnissen der Physikalischen Chemie und Mathematik kein Spezialwissen voraus
*NEU: Neue Technologien und Rohstoffe relevant für moderne industrielle Prozesse
Ideal für Studierende der Chemie, des Chemieingenieurwesens und der Verfahrenstechnik in Bachelor- und Masterstudiengängen.
Table of ContentsVorwort zur 3. Auflage xv
Vorwort zur 2. Auflage xvii
Vorwort zur 1. Auflage xix
Die Autoren xxiii
Enzyklopädien und Nachschlagewerke zur technischen Chemie xxvii
Symbolverzeichnis für häufig benutzte Formelzeichen xxix
Teil I Einführung in die technische Chemie 1
1 Chemische Prozesse und chemische Industrie 3
1.1 Besonderheiten chemischer Prozesse 3
1.2 Chemie und Umwelt 4
1.3 Chemiewirtschaft 5
1.3.1 Einteilung der Chemieprodukte 5
1.3.2 Chemiefirmen werden Großunternehmen – ein historischer Rückblick 6
1.3.3 Strukturwandel in der Chemieindustrie 8
1.4 Struktur von Chemieunternehmen 9
1.5 Bedeutung von Forschung und Entwicklung für die chemische Industrie 10
1.5.1 Wissenschaft und chemische Technik 10
1.5.2 Betriebsinterne Forschung 11
1.6 Entwicklungstendenzen und Zukunftsaussichten der chemischen Industrie 13
Literatur 15
2 Charakterisierung chemischer Produktionsverfahren 17
2.1 Laborverfahren und technische Verfahren 17
2.1.1 Chlorierung von Benzol 17
2.1.2 Oxychlorierung von Benzol 19
2.1.3 Herstellung von Azofarbstoffen 19
2.1.4 Zusammenfassung 20
2.2 Gliederung chemischer Produktionsverfahren 20
2.3 Darstellung chemischer Verfahren und Anlagen durch Fließschemata 23
2.3.1 Grundfließschema 24
2.3.2 Verfahrensfließschema 24
2.3.3 Rohrleitungs-und Instrumenten (RI)-Fließschema 25
2.3.4 Mess-und Regelschema 26
2.3.5 Spezielle Schemata 26
Literatur 28
3 Katalyse als Schlüsseltechnologie der chemischen Industrie 29
3.1 Was ist Katalyse? 29
3.2 Arten von Katalysatoren 32
3.2.1 Heterogene Katalyse 32
3.2.2 Homogene Katalyse 36
3.2.3 Spezielle Aspekte in der Katalyse 44
3.2.4 Biokatalyse 47
3.2.5 Elektrokatalyse 51
3.2.6 Photokatalyse 54
Literatur 55
Teil II Chemische Reaktionstechnik 59
4 Grundlagen der Chemischen Reaktionstechnik 61
4.1 Grundbegriffe und Grundphänomene 61
4.1.1 Klassifizierung chemischer Reaktionen 61
4.1.2 Grundbegriffe und Definitionen 62
4.1.3 Stöchiometrie chemischer Reaktionen 64
4.2 Chemische Thermodynamik 72
4.2.1 Reaktionsenthalpie 72
4.2.2 Gleichgewichtsumsatz 74
4.2.3 Simultangleichgewichte 77
4.3 Stoff- und Wärmetransportvorgänge 81
4.3.1 Molekulare Transportvorgänge 81
4.3.2 Diffusion in porösen Medien 87
4.3.3 Wärmeleitfähigkeit in porösen Feststoffen 92
4.3.4 Stoff- und Wärmetransport an Phasengrenzflächen 93
4.3.5 Wärmeübertragung in Mehrphasenreaktoren 96
Literatur 101
5 Kinetik chemischer Reaktionen 103
5.1 Mikrokinetik chemischer Reaktionen 104
5.1.1 Einführung 104
5.1.2 Kinetik homogener Gas- und Flüssigkeitsreaktionen 106
5.1.3 Kinetik heterogen katalysierter Reaktionen 112
5.1.4 Kinetik der Desaktivierung heterogener Katalysatoren 117
5.1.5 Kinetik von Gas-Feststoff-Reaktionen 118
5.1.6 Kinetik homogen und durch gelöste Enzyme katalysierter Reaktionen 119
5.2 Ermittlung der Kinetik chemischer Reaktionen 125
5.2.1 Zielsetzungen kinetischer Untersuchungen 125
5.2.2 Betriebsweise und Bauart von Laborreaktoren für kinetische Untersuchungen 126
5.2.3 Planung und Auswertung kinetischer Messungen zur Ermittlung von Geschwindigkeitsgleichungen 144
5.3 Makrokinetik chemischer Reaktionen – Zusammenwirken von chemischer Reaktion und Transportvorgängen 170
5.3.1 Heterogen katalysierte Gasreaktionen 170
5.3.2 Fluid-Fluid-Reaktionen 189
5.3.3 Gas-Feststoff-Reaktionen 196
Literatur 202
6 Chemische Reaktoren und deren reaktionstechnische Modellierung 209
6.1 Allgemeine Stoff- und Energiebilanzen 209
6.2 Absatzweise betriebene Rührkesselreaktoren 210
6.2.1 Stoffbilanz 211
6.2.2 Wärmebilanz 214
6.3 Halbkontinuierlich betriebene Rührkesselreaktoren 218
6.4 Kontinuierlich betriebener idealer Rührkesselreaktor 221
6.4.1 Stoffbilanz des kontinuierlich betriebenen Rührkesselreaktors 221
6.4.2 Wärmebilanz des kontinuierlich betriebenen Rührkesselreaktors 225
6.5 Ideale Strömungsrohrreaktoren 229
6.5.1 Stoffbilanz 230
6.5.2 Wärmebilanz 231
6.6 Kombination idealer Reaktoren 233
6.6.1 Kaskade kontinuierlich betriebener Rührkesselreaktoren 233
6.6.2 Strömungsrohrreaktor mit Rückführung 236
6.7 Reale homogene und quasihomogene Reaktoren 238
6.7.1 Verweilzeitverteilung in chemischen Reaktoren 239
6.7.2 Experimentelle Bestimmung der Verweilzeitverteilung 240
6.7.3 Verweilzeitverteilung in idealen Reaktoren 243
6.7.4 Verweilzeitmodelle realer Reaktoren 246
6.7.5 Verweilzeitverhalten realer Reaktoren 252
6.7.6 Einfluss der Verweilzeitverteilung und der Vermischung auf die Leistung realer Reaktoren 256
6.7.7 Vermischung in realen Reaktoren 259
6.8 Reale Mehrphasenreaktoren 263
6.8.1 Fluid-Feststoff-Systeme 263
6.8.2 Fluid-Fluid-Systeme 270
6.8.3 Gasförmig-flüssig-fest-Systeme 275
Literatur 278
7 Auswahl und Auslegung chemischer Reaktoren 283
7.1 Reaktorauswahl und reaktionstechnische Optimierung 283
7.1.1 Einfache Reaktionen (Umsatzproblem) 284
7.1.2 Komplexe Reaktionen (Ausbeuteproblem) 301
7.2 Thermische Prozesssicherheit 317
7.2.1 Theorie der Wärmeexplosion 318
7.2.2 Parametrische Sensitivität 322
7.2.3 Halbkontinuierlich betriebene Rührkesselreaktoren 324
7.2.4 Kontinuierlich betriebene Rührkesselreaktoren 329
7.2.5 Strömungsrohrreaktoren 329
7.3 Mikrostrukturierte Reaktoren 329
7.3.1 Homogene Reaktionen 330
7.3.2 Feststoffkatalysierte Fluidreaktionen 338
7.3.3 Fluid-Fluid-Reaktionen 339
Literatur 340
Teil III Grundoperationen 345
8 Thermodynamische Grundlagen für die Berechnung von Phasengleichgewichten 347
8.1 Phasengleichgewichtsbeziehung 349
8.2 Dampf-Flüssig-Gleichgewicht 350
8.2.1 Anwendung von Zustandsgleichungen 351
8.2.2 Virialgleichung 353
8.2.3 Assoziation in der Gasphase 355
8.2.4 Weitere Zustandsgleichungen 356
8.2.5 Anwendung von Aktivitätskoeffizientenmodellen 357
8.2.6 Aktivitätskoeffizientenmodelle 359
8.3 Vorausberechnung von Phasengleichgewichten 363
8.4 Konzentrationsabhängigkeit des Trennfaktors binärer Systeme 366
8.4.1 Bedingung für das Auftreten azeotroper Punkte 366
8.4.2 Rückstandslinien, Grenzdestillationslinien und Destillationsfelder 369
8.5 Flüssig-Flüssig-Gleichgewicht 371
8.6 Gaslöslichkeit 374
8.7 Fest-Flüssig-Gleichgewicht 377
8.8 Phasengleichgewicht für die überkritische Extraktion 381
8.9 Adsorptionsgleichgewichte 382
8.10 Osmotischer Druck 385
Literatur 386
9 Auslegung thermischer Trennverfahren 389
9.1 Grundlagen der Wärmeübertragung 389
9.1.1 Wärmetransport durch Leitung 390
9.1.2 Konvektiver Wärmetransport 391
9.1.3 Wärmeübergang bei Kondensation 392
9.1.4 Wärmeübergang bei Verdampfung 393
9.1.5 Wärmedurchgang 394
9.1.6 Wärmetransport durch Strahlung 394
9.2 Technischer Wärmetransport 395
9.2.1 Einteilung der Wärmeübertrager 395
9.2.2 Technisch wichtige Wärmeübertrager 396
9.3 Konzept der idealen Trennstufe für die Destillation 403
9.4 Realisierung mehrerer Trennstufen 403
9.5 Kontinuierliche Rektifikation 405
9.5.1 Rektifikationskolonne 405
9.5.2 Ermittlung der Zahl theoretischer Trennstufen 406
9.5.3 Konzept der Übertragungseinheit 429
9.6 Trennung azeotroper und engsiedender Systeme 431
9.6.1 Rektifikative Trennung azeotroper und engsiedender Systeme ohne Zusatzstoff 432
9.6.2 Rektifikation mit Hilfsstoffen 436
9.6.3 Wasserdampfdestillation 440
9.7 Reaktive Rektifikation 441
9.8 Zahl der Kolonnen und mögliche Trennsequenzen 442
9.8.1 Energieeinsparung 444
9.8.2 Trennwandkolonnen 445
9.9 Diskontinuierliche Rektifikation 447
9.9.1 Einfache diskontinuierliche Destillation 448
9.9.2 Mehrstufige diskontinuierliche Rektifikation 449
9.10 Auslegung von Rektifikationskolonnen 450
9.10.1 Bodenkolonnen 451
9.10.2 Packungskolonnen 454
9.11 Absorption 459
9.11.1 Lösemittelauswahl 460
9.11.2 McCabe-Thiele-Verfahren 460
9.11.3 Kremser-Gleichung 464
9.11.4 Chemische Absorption 466
9.11.5 Absorberbauarten 466
9.12 Flüssig-Flüssig-Extraktion 467
9.12.1 Auswahl des Extraktionsmittels 469
9.12.2 McCabe-Thiele-Verfahren 469
9.12.3 Kremser-Gleichung 471
9.12.4 Anwendung von Dreiecksdiagrammen 471
9.12.5 Extraktoren 473
9.13 Fest-Flüssig-Extraktion 477
9.14 Extraktion mit überkritischen Fluiden 478
9.15 Kristallisation 478
9.15.1 Kristallisationsprozess 479
9.15.2 Kristallisatoren 481
9.16 Adsorption 485
9.16.1 Adsorptionsmittel 486
9.16.2 Adsorptions- und Desorptionsschritt 487
9.16.3 Adsorberbauarten 488
9.17 Entfernung der Restfeuchten, Entwässern und Trocknen 491
9.17.1 Trocknungsgüter und Trocknungsarten 491
9.17.2 Kriterien zur Auslegung von Trocknern 491
9.17.3 Apparate zum technischen Trocknen 491
9.18 Membrantrennverfahren 494
9.18.1 Trennprinzip und Arbeitsweise 494
9.18.2 Arten von Membrantrennverfahren 497
9.18.3 Membranmodule 499
9.18.4 Ionenleitende Membranen 501
Literatur 501
10 Mechanische Grundoperationen 505
10.1 Strömungslehre – Fluiddynamik in Reaktoren, Kolonnen und Rohrleitungen 505
10.1.1 Strömungsarten, Reynolds’sche Ähnlichkeit 505
10.1.2 Strömungsgesetze 506
10.1.3 Strömungsbedingter Druckverlust 511
10.2 Erzeugen von Förderströmen – Pumpen, Komprimieren, Evakuieren 514
10.2.1 Pumpencharakteristika und Pumpenwirkungsgrade 514
10.2.2 Pumpen – Apparate zum Fördern von Flüssigkeiten 516
10.2.3 Verdichten von Gasen 518
10.2.4 Vakuumerzeugung 523
10.3 Mischen fluider Phasen 525
10.3.1 Mischen in flüssiger Phase 525
10.3.2 Flüssigkeitsverteilung in der Gasphase 533
10.4 Mechanische Trennverfahren 537
10.4.1 Partikelabtrennung aus Flüssigkeiten 537
10.4.2 Partikelabscheidung aus Gasströmen 546
10.4.3 Trennen weiterer disperser Systeme 551
10.5 Verarbeiten von Feststoffen 553
10.5.1 Zerkleinern von Feststoffen 553
10.5.2 Klassieren und Sortieren 559
10.5.3 Formgebung 565
Literatur 568
Teil IV Verfahrensentwicklung 571
11 Gesichtspunkte der Verfahrensauswahl 573
11.1 Das Konzept der Nachhaltigkeit 573
11.2 Stoffliche Gesichtspunkte (Rohstoffauswahl und Syntheseroute) 575
11.2.1 Nachhaltigkeit am Beispiel des Phenols – sieben technische Synthesewege 575
11.2.2 Phenol aus nachwachsenden Rohstoffen 580
11.2.3 Vergleich der Phenolverfahren 580
11.2.4 Zusammenfassung 581
11.3 Energieaufwand 581
11.3.1 Energiearten und Energienutzung 581
11.3.2 Wasserstoff 582
11.4 Sicherheit 588
11.4.1 Exotherme Reaktionen 589
11.4.2 Druckerhöhung 591
11.4.3 Brennbare und explosive Stoffe und Stoffgemische 592
11.4.4 Toxische Stoffe 594
11.4.5 Zusammenfassung und Folgerungen 595
11.5 Umweltschutz im Sinne der Nachhaltigkeit 595
11.5.1 Luftverunreinigungen 596
11.5.2 Abwasserbelastungen 598
11.5.3 Abfälle 603
11.5.4 Zusammenfassung und Folgerungen 605
11.6 Betriebsweise 606
11.6.1 Beispiel: Hydrierung von Doppelbindungen 606
11.6.2 Unterschiede zwischen diskontinuierlichen und kontinuierlichen Verfahren 608
11.6.3 Entscheidungskriterien 610
Literatur 611
12 Verfahrensgrundlagen 615
12.1 Ausgangssituation und Ablauf 615
12.2 Verfahrensinformationen 617
12.2.1 Übersicht 617
12.2.2 Sicherheitstechnische Kenndaten 617
12.2.3 Toxikologische Daten 620
12.3 Stoff- und Energiebilanzen 622
12.3.1 Stoff- und Energiebilanzen – Werkzeuge in Verfahrensentwicklung und Anlagenprojektierung 622
12.3.2 Stoffbilanzen 622
12.3.3 Energiebilanzen 628
12.4 Versuchsanlagen 629
12.4.1 Notwendigkeit und Aufgaben 629
12.4.2 Typen von Versuchsanlagen 629
12.4.3 Planung einer Versuchsanlage 631
12.4.4 Modularer Planungsansatz 631
12.5 Auswertung und Optimierung 631
12.5.1 Versuchsplanung und Auswertung 631
12.5.2 Prozesssimulation und Prozessoptimierung 632
Literatur 633
13 Wirtschaftlichkeit von Verfahren und Produktionsanlagen 637
13.1 Erlöse, Kosten und Gewinn 637
13.2 Herstellkosten 638
13.2.1 Vorkalkulation und Nachkalkulation 638
13.2.2 Ermittlung des Kapitalbedarfs 639
13.2.3 Ermittlung der Herstellkosten 642
13.3 Kapazitätsauslastung und Wirtschaftlichkeit 644
13.3.1 Erlöse und Gewinn 644
13.3.2 Fixe Kosten und veränderliche Kosten 646
13.3.3 Gewinn bzw. Verlust in Abhängigkeit von der Kapazitätsauslastung 646
13.4 Wirtschaftlichkeit von Projekten 648
13.4.1 Rentabilität als Maß für die Wirtschaftlichkeit 648
13.4.2 Investitionsertrag und Kapitalrückflusszeit 648
13.4.3 Andere Methoden der Rentabilitätsbewertung 649
13.4.4 Entscheidung zwischen Alternativen 650
Literatur 653
14 Planung und Bau von Anlagen 655
14.1 Projektablauf 655
14.2 Projektorganisation 656
14.3 Genehmigungsverfahren für Chemieanlagen 658
14.4 Anlagenplanung 660
14.5 Projektabwicklung 662
14.5.1 Ablaufplanung und -überwachung 662
14.5.2 Bau und Montage 664
Literatur 666
Teil V Chemische Prozesse 669
15 Organische Rohstoffe 671
15.1 Erdöl 671
15.1.1 Zusammensetzung und Klassifizierung 671
15.1.2 Bildung und Vorkommen 672
15.1.3 Förderung und Transport 674
15.1.4 Erdölraffinerien 677
15.1.5 Thermische Konversionsverfahren 682
15.1.6 Katalytische Konversionsverfahren 684
15.2 Erdgas 689
15.2.1 Zusammensetzung und Klassifizierung 689
15.2.2 Förderung und Transport 689
15.2.3 Weiterverarbeitung 691
15.3 Kohle 691
15.3.1 Zusammensetzung und Klassifizierung 691
15.3.2 Vorkommen 693
15.3.3 Förderung 693
15.3.4 Verarbeitung 694
15.4 Nachwachsende Rohstoffe 703
15.4.1 Bedeutung der nachwachsenden Rohstoffe 703
15.4.2 Fette und Öle 704
15.4.3 Kohlenhydrate 713
Literatur 721
16 Organische Grundchemikalien 725
16.1 Alkane 726
16.1.1 Herstellung 726
16.1.2 Verwendung 726
16.2 Alkene 729
16.2.1 Herstellung 729
16.2.2 Verwendung 738
16.3 Aromaten 742
16.3.1 Herstellung 742
16.3.2 Verwendung 745
16.4 Ethin 749
16.4.1 Herstellung 749
16.4.2 Verwendung 751
16.5 Synthesegas 752
16.5.1 Herstellung 752
16.5.2 Verwendung von Synthesegas 755
16.5.3 Kohlenmonoxid 756
Literatur 757
17 Organische Zwischenprodukte 761
17.1 Sauerstoffhaltige Verbindungen 761
17.1.1 Alkohole 761
17.1.2 Phenole 774
17.1.3 Ether 775
17.1.4 Epoxide 777
17.1.5 Aldehyde 780
17.1.6 Ketone 787
17.1.7 Carbonsäuren 789
17.2 Stickstoffhaltige Verbindungen 801
17.2.1 Amine 801
17.2.2 Lactame 804
17.2.3 Nitrile 805
17.2.4 Isocyanate 807
17.3 Halogenhaltige Verbindungen 808
17.3.1 Chlormethane 808
17.3.2 Chlorderivate höherer Aliphaten 809
17.3.3 Chloraromaten 812
17.3.4 Fluorverbindungen 813
Literatur 816
18 Anorganische Grund- und Massenprodukte 821
18.1 Anorganische Schwefelverbindungen 821
18.1.1 Schwefel und Sulfide 821
18.1.2 Schwefeldioxid 821
18.1.3 Schwefeltrioxid und Schwefelsäure 822
18.2 Anorganische Stickstoffverbindungen 823
18.2.1 Ammoniak 823
18.2.2 Salpetersäure 827
18.2.3 Harnstoff und Melamin 828
18.3 Chlor und Alkalien 829
18.3.1 Chlor und Alkalilauge durch Alkalichloridelektrolyse 829
18.3.2 Natronlauge und Soda 831
18.4 Phosphorverbindungen 832
18.4.1 Elementarer Phosphor 832
18.4.2 Phosphorsäure und Phosphate 833
18.5 Technische Gase 834
18.5.1 Sauerstoff und Stickstoff 834
18.5.2 Edelgase 837
18.5.3 Kohlendioxid 838
18.6 Düngemittel 839
18.6.1 Bedeutung der Düngemittel 839
18.6.2 Stickstoffdüngemittel 840
18.6.3 Phosphordüngemittel 840
18.6.4 Kalidüngemittel 841
18.6.5 Mehrnährstoffdünger 841
18.6.6 Wirtschaftliche Betrachtung 841
18.7 Metalle 842
18.7.1 Gusseisen 842
18.7.2 Stähle 843
18.7.3 Nichteisenmetalle und ihre Legierungen 844
18.7.4 Korrosion und Korrosionsschutz 845
Literatur 846
19 Chemische Endprodukte 851
19.1 Polymere 851
19.1.1 Aufbau und Synthese von Polymeren 851
19.1.2 Polymerisationstechnik 857
19.1.3 Massenkunststoffe 861
19.1.4 Fasern 867
19.1.5 Klebstoffe 868
19.1.6 Hochtemperaturfeste Kunststoffe 868
19.1.7 Elektrisch leitfähige Polymere 869
19.1.8 Flüssigkristalline Polymere 869
19.1.9 Biologisch abbaubare Polymere 870
19.2 Tenside und Waschmittel 871
19.2.1 Aufbau und Eigenschaften 871
19.2.2 Anionische Tenside 871
19.2.3 Kationische Tenside 874
19.2.4 Nichtionische Tenside 874
19.2.5 Amphotere Tenside 876
19.2.6 Vergleich der Tensidklassen 877
19.2.7 Anwendungsgebiete 878
19.3 Farbstoffe 883
19.3.1 Übersicht 883
19.3.2 Azofarbstoffe 884
19.3.3 Carbonylfarbstoffe 885
19.3.4 Methinfarbstoffe 886
19.3.5 Phthalocyanine 887
19.3.6 Färbevorgänge 888
19.4 Pharmaka 889
19.4.1 Allgemeines 889
19.4.2 Arten pharmazeutischer Produkte 890
19.4.3 Wirkstoffherstellung durch chemische Synthese 895
19.4.4 Wirkstoffherstellung mit Biokatalysatoren 896
19.4.5 Wirkstoffherstellung durch Fermentationsverfahren 898
19.4.6 Sonstige Verfahren zur Wirkstoffherstellung 901
19.4.7 Entwicklung neuer Pharmawirkstoffe 901
19.5 Pflanzenschutzmittel 902
19.5.1 Bedeutung des Pflanzenschutzes 902
19.5.2 Insektizide 902
19.5.3 Herbizide 904
19.5.4 Fungizide 905
19.5.5 Marktdaten und Entwicklungstrends 906
19.6 Metallorganische Verbindungen 907
19.7 Silicone 909
19.7.1 Struktur und Eigenschaften 909
19.7.2 Herstellung der Ausgangsverbindungen 910
19.7.3 Herstellung der Silicone 911
19.7.4 Technische Siliconerzeugnisse 913
19.8 Zeolithe 914
Literatur 915
Anhang A Größen zur Charakterisierung von Reaktionen, Verfahren und Anlagen 921
Anhang B Tabellen zu Reinstoffdaten 923
Anhang C Graphische Symbole für Fließschemata nach EN ISO 10628-2012 927
Stichwortverzeichnis 933
