Einführung in die Technische Chemie Arno Behr David W. Agar Jakob Jörissen Andreas J. Vorholt Einführung in die Technische Chemie 2. Auflage Arno Behr Jakob Jörissen Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen TU Dortmund TU Dortmund Dortmund Dortmund Deutschland Deutschland David W. Agar Andreas J. Vorholt Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen TU Dortmund TU Dortmund Dortmund Dortmund Deutschland Deutschland ISBN 978-3-662-52855-6 ISBN 978-3-662-52856-3 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-52856-3 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de a brufbar. Springer Spektrum © Springer-Verlag GmbH Deutschland 2010, 2016 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht aus- drücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk be- rechtigt 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. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Planer: Frank Wigger Titelbild: Mit freundlicher Genehmigung der Covestro AG Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Spektrum ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer-Verlag GmbH Deutschland Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany V Inhaltsverzeichnis I Grundlagen 1 Die chemische Industrie .............................................................3 1.1 Was ist Technische Chemie? ............................................................4 1.2 Chemiewirtschaft ......................................................................5 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 Vom Rohstoff zur Endchemikalie ...................................................9 2.1 Verbundstruktur der chemischen Industrie ............................................10 2.2 Wert-, Koppel- und Nebenprodukte ...................................................12 2.3 Ein typischer Produktstammbaum ....................................................13 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3 Vom Laborversuch zur chemischen Anlage ......................................17 3.1 Grundlagen der Maßstabsvergrößerung ..............................................18 3.2 Versuchs- und Produktionsanlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2.1 Chargenbetrieb oder kontinuierliche Verfahren? .........................................22 3.2.2 Mehrzweckanlagen ....................................................................23 3.2.3 Miniplants und Mikroplants .............................................................23 3.2.4 Pilotanlagen ...........................................................................24 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4 Physikalisch-chemische Grundlagen I: Gleichgewichte und Thermodynamik ...............................................................29 4.1 Enthalpie ..............................................................................30 4.2 Chemisches Gleichgewicht ............................................................32 4.3 Phasengleichgewicht .................................................................35 4.3.1 Nichtideales Phasenverhalten ...........................................................36 4.3.2 Phasenverhalten von Gemischen .......................................................37 4.3.3 Ideale und nichtideale Mischungen .....................................................38 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 5 Physikalisch-chemische Grundlagen II: Kinetik und Transportprozesse .......43 5.1 Bedeutung der Kinetik ................................................................44 5.1.1 Reaktionsgeschwindigkeit ..............................................................44 5.1.2 Konzentrationsverläufe .................................................................46 5.1.3 Kinetik reversibler Reaktionen ...........................................................47 5.1.4 Kinetik heterogen katalysierter Reaktionen ..............................................49 5.2 Wärme- und Stofftransport ............................................................51 5.2.1 Wärmetransport ........................................................................52 5.2.2 Stofftransport durch Diffusion ..........................................................53 5.2.3 Stoffdurchgang ........................................................................54 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 VI Inhaltsverzeichnis II Reaktions- und Trenntechnik 6 Chemische Reaktoren ..............................................................61 6.1 Bedeutung des Reaktors ..............................................................62 6.2 Leistung des Reaktors .................................................................63 6.3 Ideale Reaktoren ......................................................................63 6.4 Leistungsberechnung idealer Reaktoren ..............................................66 6.5 Nichtideale Reaktoren .................................................................69 6.6 Technische Reaktoren .................................................................72 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 7 Thermische Trennverfahren I (Destillation und Rektifikation) .................77 7.1 Einfache Destillation ..................................................................78 7.2 Relative Flüchtigkeit in unterschiedlichen Stoffsystemen ..............................80 7.3 Rektifikation ..........................................................................82 7.4 Bilanzierung und grafische Auslegung der Rektifikation ...............................84 7.5 Praktische Durchführung der Rektifikation ............................................85 7.5.1 Rücklaufverhältnis ......................................................................85 7.5.2 Funktion und Wirkungsgrad praktischer Böden ..........................................87 7.5.3 Füllkörper und Strukturpackungen ......................................................88 7.5.4 Konkreter Aufbau der Apparate und Betrieb der Rektifikation .............................89 7.6 Trennung von Azeotropen ............................................................90 7.6.1 Zweidruck-Rektifikation ................................................................91 7.6.2 Extraktiv-Rektifikation ..................................................................91 7.6.3 Azeotrop-Rektifikation .................................................................92 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 8 Thermische Trennverfahren II (Absorption, Extraktion u. a.) ...................95 8.1 Übersicht über thermische Trennverfahren ............................................96 8.2 Absorption ............................................................................97 8.3 Extraktion .............................................................................99 8.3.1 Flüssig-flüssig-Extraktion ...............................................................99 8.3.2 Phasengleichgewichte .................................................................100 8.3.3 Bilanzierung und Stufenkonstruktion im Dreiecksdiagramm .............................100 8.3.4 Extraktionsapparate ...................................................................102 8.3.5 Anwendungen der Flüssig-Flüssig-Extraktion ...........................................103 8.3.6 Lösungsmittelanforderungen ..........................................................103 8.4 Adsorption ...........................................................................105 8.5 Weitere Trennverfahren ..............................................................106 8.5.1 Kristallisation .........................................................................106 8.5.2 Trocknung ............................................................................107 8.5.3 Membranverfahren ....................................................................107 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108 9 Mechanische Verfahren ...........................................................109 9.1 Übersicht über mechanische Verfahren ...............................................110 9.2 Mischen ..............................................................................110 9.2.1 Rühren ...............................................................................110 9.2.2 Wellendichtungen für Rührer ..........................................................111 VII Inhaltsverzeichnis 9.2.3 Scherkräfte beim Mischen .............................................................113 9.3 Pumpen und Verdichter ..............................................................113 9.3.1 Kolben- und Membran-Pumpen ........................................................113 9.3.2 Kreiselpumpen ........................................................................115 9.3.3 Ventilatoren, Gebläse, Verdichter und Vakuumpumpen ..................................117 9.4 Sedimentieren, Zentrifugieren und Filtrieren .........................................117 9.4.1 Prinzip dieser Trennverfahren ..........................................................117 9.4.2 Filtrationsapparate ....................................................................118 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120 10 Fließbilder ..........................................................................121 10.1 Typen von Fließbildern ...............................................................122 10.1.1 Grundfließbild ........................................................................122 10.1.2 Verfahrensfließbild ....................................................................122 10.1.3 Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild (RI-Fließbild) ...................................123 10.2 Normsymbole für Fließbilder .........................................................124 10.3 Konkreter Aufbau von Chemieanlagen im RI-Fließbild ................................125 10.3.1 Apparate und Rohrleitungen ...........................................................125 10.3.2 Armaturen für Chemieanlagen .........................................................127 10.3.3 Mess-, Steuer- und Regelungs-Technik (MSR) im RI-Fließbild .............................128 10.3.4 Beispiele für Messgrößen ..............................................................128 10.3.5 Messdatenverarbeitung ...............................................................130 10.3.6 Regeleinrichtungen ...................................................................131 10.3.7 Beispiele für die MSR-Technik im RI-Fließbild ............................................132 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133 III Verfahrensentwicklung 11 Verfahrensauswahl ................................................................137 11.1 Allgemeine Kriterien für die Verfahrensauswahl ......................................138 11.2 Beispiel: Acrylsäure ..................................................................138 11.2.1 Historische Synthesen der Acrylsäure ...................................................139 11.2.2 Heutige Synthesen der Acrylsäure ......................................................140 11.2.3 Zukünftige Synthesen der Acrylsäure? ..................................................142 11.2.4 Acrylsäure und ihre Verwendung .......................................................145 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146 12 Heterogene Katalyse ..............................................................147 12.1 Grundlagen der Katalyse .............................................................148 12.2 Heterogene Katalysatoren ............................................................149 12.3 Die Ammoniak-Synthese .............................................................152 12.3.1 Entwicklung ..........................................................................152 12.3.2 Rohstoffe und Anwendung ............................................................153 12.3.3 Thermodynamik und Kinetik ...........................................................155 12.3.4 Ammoniaksynthesereaktor ............................................................156 12.3.5 Ammoniaksyntheseanlage .............................................................157 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159 VIII Inhaltsverzeichnis 13 Homogene Übergangsmetallkatalyse ...........................................161 13.1 Grundlagen der homogenen Übergangsmetallkatalyse ..............................162 13.2 Die Hydroformylierung (Oxo-Synthese) ..............................................166 13.2.1 Der Mechanismus .....................................................................167 13.2.2 Die Katalysatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168 13.2.3 Die Verfahren .........................................................................168 13.2.4 Die Alkene ............................................................................170 13.2.5 Die Aldehyde .........................................................................171 13.3 Industriell bedeutsame Homogenkatalysen ..........................................171 13.4 Neue Trends in der Homogenkatalyse ................................................173 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176 IV Chemische Prozesse 14 Fossile Rohstoffe und Basischemikalien .........................................179 14.1 Fossile Rohstoffe .....................................................................180 14.1.1 Erdgase und ihre chemische Verwendung ..............................................180 14.1.2 Kohle und ihre chemische Verwendung .................................................181 14.2 Erdöl – der wichtigste fossile Rohstoff der chemischen Industrie .....................182 14.3 Die Konversion des Erdöls in der Raffinerie ...........................................184 14.3.1 Der Cracker ...........................................................................185 14.3.2 Der Hydrocracker ......................................................................185 14.3.3 Der Reformer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .186 14.4 Der Steamcracker ....................................................................187 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .192 15 Technische Chemie der Alkene und Aromaten ..................................193 15.1 Verwendung des Ethens ..............................................................194 15.1.1 Polyethylen ...........................................................................194 15.1.2 Vinylchlorid ...........................................................................196 15.1.3 Ethylenoxid und Ethylenglykol .........................................................197 15.1.4 Ethanol ...............................................................................197 15.1.5 Ethanal (Acetaldehyd) .................................................................199 15.1.6 α-Olefine (1-Alkene) ...................................................................199 15.2 Verwendung des Propens ............................................................200 15.2.1 Polypropylen ..........................................................................200 15.2.2 Propylenoxid ..........................................................................201 15.2.3 Acrylnitril .............................................................................203 15.2.4 Isopropanol ...........................................................................203 15.3 Verwendung des Benzols .............................................................203 15.3.1 Styrol .................................................................................204 15.3.2 Phenol ................................................................................205 15.3.3 Alkylbenzolsulfonate ..................................................................206 15.3.4 Zwischenprodukte für Polyamide: Adipinsäure und ε-Caprolactam .......................206 15.3.5 Anilin .................................................................................207 15.4 Verwendung der Xylole ..............................................................208 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211 IX Inhaltsverzeichnis 16 Organische Endprodukte .........................................................213 16.1 Übersicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .214 16.2 Die wichtigsten Kunststoffe ..........................................................214 16.3 Die technische Herstellung von Polymeren ...........................................216 16.4 Polystyrol ............................................................................219 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223 17 Organische Feinchemikalien ......................................................225 17.1 Definitionen .........................................................................226 17.2 Übersicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .226 17.3 Pharmaka ............................................................................227 17.4 Beispiel 1: l-Dopa ....................................................................228 17.5 Beispiel 2: Vitamin C ..................................................................230 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .234 18 Nachwachsende Rohstoffe ........................................................235 18.1 Was sind nachwachsende Rohstoffe? .................................................236 18.2 Fette und Öle .........................................................................237 18.2.1 Oleochemie ...........................................................................239 18.2.2 Glycerinchemie .......................................................................242 18.3 Der Rohstoff Holz ....................................................................243 18.4 Kohlenhydrate .......................................................................244 18.4.1 Cellulose (Zellstoff) ....................................................................244 18.4.2 Stärke ................................................................................247 18.4.3 Chitin und Chitosan ...................................................................248 18.4.4 Zucker ................................................................................248 18.5 Pflanzliche Sekrete und Extrakte .....................................................249 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .251 19 Elektrochemische Verfahren ......................................................253 19.1 Energieformen in chemischen Reaktionen ............................................254 19.2 Grundprinzip elektrochemischer Reaktionen .........................................254 19.3 Elektrochemische Reaktionstechnik ..................................................255 19.4 Herstellung von Chlor und Natronlauge (Chlor-Alkali-Elektrolyse) .............................................................257 19.4.1 Industrielle Bedeutung von Chlor und Natronlauge .....................................257 19.4.2 Prinzip der Chlor-Alkali-Elektrolyse .....................................................258 19.4.3 Diaphragma-Verfahren ................................................................259 19.4.4 Amalgam-Verfahren ...................................................................260 19.4.5 Membran-Verfahren ...................................................................261 19.4.6 Membran-Verfahren mit Sauerstoff-Verzehr-Kathode (SVK) ..............................262 19.4.7 Chlor-Sauerstoff-Verbindungen ........................................................264 19.5 Herstellung von Metallen ............................................................264 19.5.1 Raffinationselektrolyse ................................................................264 19.5.2 Schmelzflusselektrolysen ..............................................................264 19.6 Organische Elektrosynthese ..........................................................265 19.7 Elektrochemie für die Energiewende .................................................266 19.7.1 Speicherung elektrischer Energie, Redox-Flow-Batterien .................................266 X Inhaltsverzeichnis 19.7.2 Wasserstoff-Energiewirtschaft ..........................................................267 19.7.3 Elektromobilität .......................................................................267 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .270 20 Wertschöpfung in der chemischen Industrie ....................................271 20.1 Was ist Wertschöpfung? ..............................................................272 20.2 Geldströme im Unternehmen ........................................................272 20.2.1 Einnahmen ...........................................................................272 20.2.2 Kosten ................................................................................273 20.2.3 Controlling ............................................................................274 20.3 Steuerung eines Unternehmens ......................................................276 20.3.1 Ziele in Unternehmen .................................................................276 20.3.2 Analyse von Umwelt und Unternehmen ................................................277 20.3.3 Strategieentwicklung ..................................................................279 20.4 Entscheidungsfindung in der chemischen Industrie ..................................280 20.4.1 Von der Idee zum Prozess ..............................................................280 20.4.2 Anschaffungskosten einer Chemieanlage ...............................................281 20.4.3 Herstellungskosten einer Acrylsaure-Anlage ............................................283 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .285 Serviceteil ..........................................................................287 Antworten zu den „Quickies“ ...........................................................288 Stichwortverzeichnis ..................................................................303