Full Description
Ähnlich wie beim lebenden Organismus ist eine Chemieanlage mehr als die Summe der einzelnen Bestandteile. Nur das harmonische Zusammenspiel von Katalysator, Reaktor, Rohrleitungen, Pumpen, Kompressoren, Edukt- und Energieversorgung sowie Rückstandsentsorgung ergibt letztendlich das gewünschte Produkt.
Mit dem WIE sind Sie jetzt nicht mehr alleine gelassen - begleiten Sie den Autor bei dieser (Ein)Führung in die naturwissenschaftlichen Grundlagen einer jeden chemischen Produktionsanlage. So macht Lernen und Lehren Spaß!
Das Buch - eine Auskopplung aus dem Erfolgstitel Vogel: Verfahrensentwicklung (Wiley-VCH, 2002) - ist ein maßgeschneidertes Lehrbuch für Studenten, die Vorlesungen in Technischer Chemie, Chemieingenieurwesen oder Verfahrenstechnik besuchen. Es vermittelt das nötige Grundwissen über: Chemische Thermodynamik, Kinetik, Hydrodynamik, Katalyse, Chemische Reaktionstechnik und Trennverfahren. Ein ausführlicher Anhang (mathematische Formeln, Umrechnungen, Stoffdaten, thermodynamische Daten) ergänzt diesen Ansatz, so dass sich der Gang zur Bibliothek und der Griff zu weiteren Büchern meistens erübrigt.
Contents
1 Einführung 1
1.1 Das Ziel industrieller Forschung und Entwicklung 1
1.2 Die Produktionsstruktur der chemischen Industrie 3
1.3 Struktur chemischer Produktionsanlagen 14
2 Chemische Thermodynamik 17
2.1 Reaktionswärme 17
2.2 Thermodynamisches Gleichgewicht 18
2.3 Stoffdaten 23
2.3.1 Reinstoffdaten 24
2.3.2 Mischungsdaten 26
3 Chemische Kinetik 29
3.1 Grundlagen 29
3.2 Kinetische Modelle 33
3.3 Selektivität und Umsatz als Funktion der Prozessparameter 42
4 Hydrodynamik 51
4.1 Grundlagen 51
4.2 Einphasenströmung in Rohrleitungen 54
4.3 Flüssigkeitspumpen [Sulzer 1987] 59
4.4 Verdichter 64
5 Katalyse 67
5.1 Katalysatorperformance 71
5.1.1 Selektivität 71
5.1.2 Aktivität 71
5.1.3 Lebensdauer 73
5.1.4 Mechanische Festigkeit 76
5.1.5 Herstellkosten 76
5.2 Charakterisierung von Katalysatoren [Leofanti 1997a, b] 79
5.2.1 Chemische Zusammensetzung 80
5.2.2 Art des Trägermaterials 80
5.2.3 Promotorenzusätze 81
5.2.4 Phasenzusammensetzung 82
5.2.5 Partikelgröße 82
5.2.6 Hohlraumstruktur 82
5.2.7 Oberflächenstruktur 83
5.2.8 Nebenprodukte im Feed 83
5.3 Kinetik der Heterogenkatalyse [Santacesaria 1997, Santacesaria 1997a] 84
5.3.1 Filmdiffusion 85
5.3.2 Porendiffusion [Keil 1999] 87
5.3.3 Sorption 91
5.3.4 Oberflächenreaktionen 95
5.3.5 Porendiffusion und chemische Reaktion [Emig 1993, Forni 1999, Keil 1999] 98
5.3.6 Filmdiffusion und chemische Reaktion 102
6 Chemische Reaktionstechnik 105
6.1 Grundlagen 106
6.2 Ideale Reaktoren 110
6.3 Reaktoren mit realem Verhalten 114
6.3.1 Verweilzeitverhalten 114
6.3.2 Verweilzeitverhalten idealer Reaktoren 117
6.3.3 Verweilzeitverhalten realer Reaktoren 117
6.4 Nicht-isotherme Reaktoren 124
6.5 Ausführungsformen von Reaktoren 131
7 Produktaufarbeitung (thermische- und mechanische Trennverfahren) 137
7.1 Wärmeübertragung, Verdampfung, Kondensation 138
7.1.1 Grundlagen 138
7.1.2 Dimensionierung 143
7.2 Destillation, Rektifikation 152
7.2.1 Grundlagen der Gas/Flüssig-Gleichgewichte [Pfennig 2003] 152
7.2.1.1 Reinstoffe 153
7.2.1.2 Binäre Mischungen [Ghosh 1999] 156
7.2.2 Einstufige Verdampfung 161
7.2.3 Mehrstufige Verdampfung (Rektifikation) 163
7.2.4 Entwurf von Destillationsanlagen 169
7.2.4.1 Diskontinuierliche Destillation 172
7.2.4.2 Kontinuierliche Destillation 178
7.2.4.3 Trenneinbauten 188
7.2.4.4 Experimentelle Ausarbeitung 193
7.2.4.5 Spezielle Destillationsverfahren 194
7.3 Absorption und Desorption, Strippung, Trägerdampfdestillation 198
7.3.1 Grundlagen 198
7.3.2 Dimensionierung 199
7.3.3 Desorption 204
7.3.4 Trägerdampfdestillation 204
7.4 Extraktion 205
7.4.1 Grundlagen 207
7.4.2 Dimensionierung 208
7.4.3 Apparatives 216
7.5 Kristallisation 218
7.5.1 Grundlagen 219
7.5.2 Lösungskristallisation 221
7.5.3 Schmelzkristallisation 223
7.5.4 Dimensionierung 226
7.6 Adsorption, Chemisorption 228
7.7 Ionentausch 229
7.8 Trocknung 230
7.9 Sonderverfahren für fluide Phasen 232
7.10 Mechanische Verfahren 232
7.10.1 Abtrennung von Feststoffen aus Flüssigkeiten 233
8 Anhang 237
8.1 Mathematische Formeln 237
8.2 Naturkonstanten. 251
8.3 Elementzusammenstellung mit relativen Atommassen und Bindungsradien sowie Schmelz- und Siedepunkten. 252
8.4 Umrechnung verschiedener Maßeinheiten in SI-Einheiten 254
8.5 Wichtige Zusammenhänge zwischen abgeleiteten Einheiten und Basiseinheiten. 259
8.6 Umrechnung von Konzentrationsangaben binärer Mischungen der gelösten Komponente A im Lösungsmittel B. 259
8.7 Van-der-Waals-Konstanten a und b und kritische Werte für einige Gase in alphabetischer Reihenfolge. 260
8.8 Wärmekapazitäten einiger Stoffe und ihre Temperaturabhängigkeit. 261
8.9 Thermodynamische Daten ausgewählter organischer Verbindungen 262
8.10 Größenordnung der Reaktionsenthalpie D R H ausgewählter technischer Reaktionen [Weissermel 1994]. 263
8.11 Antoine-Parameter ausgewählter organischer Verbindungen 266
8.12 Eigenschaften von Wasser 268
8.12.1 Formeln für die Berechnung der physikalisch-chemischen Eigenschaften von flüssigem Wasser zwischen 0 und 150 8C (T in 8C, P in bar) [Popiel 1998]. 268
8.12.2 Stoffwerte von Wasser q ¼ Dichte, c P ¼ Wärmekapazität, a ¼ Wärmeausdehnungskoeffizient, k ¼ Wärmeleitfähigkeit, g ¼ Viskositätskoeffizient 271
8.12.3 Dichte q /kg m 3 von Wasser bei verschiedenen Temperaturen und Drücken. 273
8.12.4 Spezifische Wärmekapazität c P /kJ kg 1 K 1 von Wasser bei verschiedenen Temperaturen und Drücken. 274
8.12.5 Dynamische Viskosität g/10 6 kg m 1 s 1 von Wasser bei verschiedenen Temperaturen und Drücken. 275
8.12.6 Selbstdiffusionskoeffizient D/m 2 s 1 [Lamb 1981] von Wasser bei verschiedenen Temperaturen und Drücken. 276
8.12.7 Wärmeausdehnungskoeffizient b/10 3 K von Wasser bei verschiedenen Temperaturen und Drücken. 277
8.12.8 Wärmeleitfähigkeit k/10 3 Wm 1 K 1 von Wasser bei verschiedenen Temperaturen und Drücken. 278
8.12.9 Negativer dekadischer Logarithmus des Ionenproduktes von Wasser pK W /mol 2 kg 2 [Marshall 1981] von Wasser bei verschiedenen Temperaturen und Drücken. 279
8.12.10 Relative statische Dielektrizitätskonstante e r von Wasser als Funktion von Druck und Temperatur. 279
8.13 Eigenschaften von trockener Luft (Molmasse: M = 28,966 g mol 1). 280
8.13.1 Realgasfaktoren r=pV/RT von trockener Luft bei verschiedenen Temperaturen und Drücken. 281
8.13.2 Spezifische Wärmekapazität c p in kJ kg 1 K 1 von trockener Luft bei verschiedenen Temperaturen und Drücken. 281
8.13.3 Dynamische Viskosität g/10 3 mPa s von trockener Luft bei verschiedenen Temperaturen und Drücken. 282
8.13.4 Wärmeleitfähigkeit k/W m 1 K 1 von trockener Luft bei verschiedenen Temperaturen und Drücken. 282
8.14 Dimensionslose Kennzahlen. 283
8.15 Wichtige gesetzliche Regelungen beim Umgang mit Stoffen. 285
8.16 Gefahren- und Sicherheitshinweise. 285
8.17 Die 25 größten Unternehmen der Welt im Jahr 2000. 289
8.18 Die 25 größten Unternehmen in Deutschland im Jahr 2000. 290
8.19 Oberflächenuntersuchungsmethoden. 291
9 Literatur 295
Register 335
