DeutschesFachbuch.de : Technische Chemie Lehrbuch Von Manfred Baerns, Arno Behr, Axel Brehm, Jürgen Gmehling, Hanns Hofmann, Ulfert Onken

Inhaltsverzeichnis

	Vorwort	XIII
	Die Autoren	XV
	Enzyklopädien und Nachschlagewerke zur Technischen Chemie	XVII
	Symbolverzeichnis	XIX

Teil I

Einführung in die Technische Chemie

	Arno Behr, Ulfert Onken
1	Chemische Prozesse und chemische Industrie	1
1.1	Besonderheiten chemischer Prozesse	1
1.2	Chemie und Umwelt	2
1.3	Chemiewirtschaft	3
1.3.1	Einteilung der Chemieprodukte	3
1.3.2	Chemiefirmen werden Großunternehmen - ein historischer Rückblick	4
1.3.3	Strukturwandel in der Chemieindustrie	5
1.4	Struktur von Chemieunternehmen	6
1.5	Bedeutung von Forschung und Entwicklung für die chemische Industrie	7
1.5.1	Wissenschaft und chemische Technik	7
1.5.2	Betriebsinterne Forschung	8
1.6	Entwicklungstendenzen und Zukunftsaussichten der chemischen Industrie	10
	Literatur	11
2	Charakterisierung chemischer Produktionsverfahren	13
2.1	Laborverfahren und technische Verfahren	13
2.1.1	Chlorierung von Benzol	13
2.1.2	Oxychlorierung von Benzol	14
2.1.3	Herstellung von Azofarbstoffen	14
2.1.4	Zusammenfassung	15
2.2	Gliederung chemischer Produktionsverfahren	15
2.3	Darstellung chemischer Verfahren und Anlagen durch Fließschemata	18
2.3.1	Grundfließschema	19
2.3.2	Verfahrensfließschema	19
2.3.3	Rohrleitungs- und Instrumenten (RI)-Fließschema	19
2.3.4	Mess- und Regelschema	21
2.3.5	Spezielle Schemata	21
	Literatur	22

Teil II

Chemische Reaktionstechnik

	Einführung	23
3	Grundlagen der Chemischen Reaktionstechnik	23
	Manfred Baerns, Hanns Hofmann
3.1	Grundbegriffe und Grundphänomene	23
3.1.1	Klassifizierung chemischer Reaktionen	24
3.1.2	Grundbegriffe und Definitionen	24
3.1.3	Stöchiometrie chemischer Reaktionen	26
3.1.3.1	Zusammensetzung des Reaktionsgemisches	26
3.1.3.2	Schlüsselkomponenten und Schlüsselreaktionen	27
3.1.3.3	Reaktionsfortschritt	30
3.1.3.4	Zusammenhang zwischen Stöchiometrie und Reaktionskinetik	31
3.2	Chemische Thermodynamik	33
3.2.1	Reaktionsenthalpie	33
3.2.2	Gleichgewichtsumsatz	35
3.2.3	Simultangleichgewichte	38
3.2.3.1	Relaxationsmethode	38
3.2.3.2	Ermittlung der Gleichgewichtszusammensetzung durch Minimierung der Gibbs'schen Enthalpie	40
3.3	Stoff- und Wärmetransportvorgänge	41
3.3.1	Molekulare Transportvorgänge	41
3.3.1.1	Diffusion	41
3.3.1.2	Wärmeleitung	44
3.3.2	Diffusion in porösen Medien	44
3.3.2.1	Molekulare Porendiffusion	45
3.3.2.2	Knudsen-Diffusion in Poren	45
3.3.2.3	Diffusiver Stofftransport im Übergangsgebiet von molekularer zu Knudsen-Diffusion	46
3.3.2.4	Poiseuille-Strömung in Poren	47
3.3.2.5	Sonderfälle der Diffusion in porösen Feststoffen	47
3.3.3	Wärmeleitfähigkeit in porösen Feststoffen	48
3.3.4	Stoff- und Wärmetransport an Phasengrenzflächen	49
3.3.5	Wärmeübergang	51
3.3.6	Stoffübergang	54
	Literatur	56
4	Kinetik chemischer Reaktionen	59
4.1	Mikrokinetik chemischer Reaktionen	59
4.1.1	Einführung	59
4.1.2	Kinetik homogener Gas- und Flüssigkeitsreaktionen	61
4.1.3	Kinetik heterogen katalysierter Reaktionen	65
4.1.3.1	Katalytische Oberflächenreaktionen	65
4.1.3.2	Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von den Gasphasenkonzentrationen	66
4.1.3.3	Katalytische Oberflächenreaktion als geschwindigkeitsbestimmender Schritt	66
4.1.3.4	Komplexe Vorgänge bei einer einfachen Reaktion	67
4.1.4	Kinetik der Desaktivierung heterogener Katalysatoren	70
4.1.5	Kinetik von Gas-Feststoff-Reaktionen	71
4.1.6	Kinetik homogen und durch gelöste Enzyme katalysierter Reaktionen	71
	Literatur	72
4.2	Ermittlung der Kinetik chemischer Reaktionen	73
4.2.1	Zielsetzungen kinetischer Untersuchungen	73
4.2.2	Betriebsweise und Bauart von Laborreaktoren für kinetische Untersuchungen	74
4.2.2.1	Allgemeine apparative Gesichtpunkte	77
4.2.2.2	Spezielle Laborreaktoren	79
4.2.2.2.1	Laborreaktoren für homogene Reaktionen	79
4.2.2.2.2	Laborreaktoren für heterogen katalysierte Gasreaktionen	80
4.2.2.2.3	Laborreaktoren für Gas-Feststoff-Reaktionen	83
4.2.2.2.4	Laborreaktoren für Gas-Flüssigkeit-Reaktionen	84
4.2.2.2.5	Kalorimetrie	87
4.2.3	Planung und Auswertung kinetischer Messungen zur Ermittlung von Geschwindigkeitsgleichungen	89
4.2.3.1	Klassische Methoden	90
4.2.3.1.1	Einfache Reaktionen	90
4.2.3.1.2	Komplexe Reaktionen	97
4.2.3.2	Statistisch begründete Methoden der Versuchsplanung und Auswertung	101
4.2.3.2.1	Lineare Regression	102
4.2.3.2.2	Normalgleichungen und Standardnormalgleichungen	103
4.2.3.2.3	Beurteilung einer Regression	105
4.2.3.2.4	Grenzen der "multiplen linearen Regression"	106
4.2.3.3	Versuchspläne für die lineare Regression	108
4.2.3.3.1	Grundsätzliches zur Aufstellung von Versuchsplänen	108
4.2.3.3.2	Ausgewählte Versuchspläne für lineare Regressionen	109
4.2.3.3.3	Faktorielle Versuchspläne	109
4.2.3.4	Auswertungssoftware für kinetische Daten	113
	Literatur	114
4.3	Makrokinetik chemischer Reaktionen - Zusammenwirken von chemischer Reaktion und Transportvorgängen	116
4.3.1	Heterogen katalysierte Gasreaktionen	116
4.3.1.1	Äußere Transportvorgänge	116
4.3.1.1.1	Stoffübergang und katalytische Reaktion	116
4.3.1.1.2	Stoff- und Wärmeübergang beim Ablauf einer heterogen katalysierten Reaktion	119
4.3.1.2	Innere Transportvorgänge und chemische Reaktion	120
4.3.1.2.1	Porendiffusion und katalytische Reaktion	121
4.3.1.2.2	Zusammenwirken von katalytischer Reaktion, Diffusion und Wärmeleitung im porösen Katalysator	124
4.3.1.2.3	Gleichzeitiges Auftreten äußerer und innerer Konzentrationsgradienten	125
4.3.1.2.4	Beeinflussung der Temperaturabhängigkeit der Reaktion durch Stofftransportvorgänge	126
4.3.1.3	Einfluss der Transportvorgänge auf die Selektivität	127
4.3.1.3.1	Einfluss der äußeren Transportvorgänge auf die Selektivität	127
4.3.1.3.2	Einfluss der inneren Transportvorgänge (Porendiffusion) auf die Selektivität	130
4.3.1.4	Kriterien zur Abschätzung des Einflusses von Stoff- und Wärmetransportvorgängen auf den Reaktionsablauf	131
4.3.2	Fluid-Fluid-Reaktionen	133
4.3.2.1	Einfluss des Stoffübergangs auf die effektive Reaktionsgeschwindigkeit	133
4.3.2.2	Einfluss des Stoffübergangs bei Fluid-Fluid-Reaktionen auf die Selektivität	138
4.3.3	Gas-Feststoff-Reaktionen	138
4.3.3.1	Nichtporöse Feststoffe	139
4.3.3.2	Poröse Feststoffe	143
	Literatur	144
5	Chemische Reaktoren und deren reaktionstechnische Modellierung	145
	Albert Renken
5.1	Allgemeine Stoff- und Energiebilanzen	145
5.2	Absatzweise betriebene Rührkesselreaktoren	145
5.2.1	Stoffbilanz	146
5.2.2	Wärmebilanz	149
5.2.2.1	Adiabate Reaktionsführung	149
5.2.2.2	Polytrope Reaktionsführung	151
5.3	Halbkontinuierlich betriebene Rührkesselreaktoren	152
5.4	Kontinuierlich betriebener idealer Rührkesselreaktor	153
5.4.1	Stoffbilanz des kontinuierlich betriebenen Rührkesselreaktors	153
5.4.1.1	Volumenbeständige Reaktionen	154
5.4.1.2	Nichtvolumenbeständige Reaktionen	155
5.4.2	Wärmebilanz des kontinuierlich betriebenen Rührkesselreaktors	156
5.5	Ideale Strömungsrohrreaktoren	160
5.5.1	Stoffbilanz	160
5.5.2	Wärmebilanz	161
5.5.2.1	Adiabate Reaktionsführung	161
5.5.2.2	Polytrope Reaktionsführung	162
5.6	Kombination idealer Reaktoren	163
5.6.1	Kaskade kontinuierlich betriebener Rührkesselreaktoren	163
5.6.2	Strömungsrohrreaktor mit Rückführung	364
5.7	Reale homogene und quasihomogene Reaktoren	166
5.7.1	Verweilzeitverteilung in chemischen Reaktoren	167
5.7.2	Experimentelle Bestimmung der Verweilzeitverteilung	167
5.7.2.1	Sprungfunktion	168
5.7.2.2	Pulsfunktion	168
5.7.2.3	Beliebige Eingangsfunktion	168
5.7.3	Verweilzeitverteilung in idealen Reaktoren	169
5.7.3.1	Idealer Strömungsrohrreaktor	169
5.7.3.2	Idealer kontinuierlich betriebener Rührkesselreaktor	170
5.7.3.3	Reaktorkaskade	170
5.7.3.4	Laminar durchströmtes Rohr	171
5.7.4	Verweilzeitmodelle realer Reaktoren	171
5.7.4.1	Dispersionsmodell	172
5.7.4.2	Zellenmodell	174
5.7.4.3	Mehrparametrige Modelle	174
5.7.5	Verweilzeitverhalten realer Reaktoren	174
5.7.5.1	Rührkesselreaktoren	174
5.7.5.2	Strömungsrohrreaktoren	175
5.7.6	Einfluss der Verweilzeitverteilung und der Vermischung auf die Leistung realer Reaktoren	177
5.7.6.1	Reaktionen 1. Ordnung	177
5.7.6.2	Reaktionen mit nichtlinearer Kinetik	178
5.7.7	Vermischung in realen Reaktoren	179
5.7.7.1	Segregation	179
5.7.7.2	Zeitpunkt der Vermischung	181
5.7.7.3	Einfluss der Segregation auf die Reaktorleistung und Produktverteilung	182
5.8	Reale Mehrphasenreaktoren	185
5.8.1	Fluid-Feststoff-Systeme	185
5.8.1.1	Festbettreaktoren	185
5.8.1.2	Wirbelschichtreaktoren (vgl. Abschnitt 7.1.3.3)	187
5.8.2	Fluid-Fluid-Systeme (vgl. Abschnitt 4.3.2)	188
5.8.3	Gasförmig-flüssig-fest-Systeme (vgl. Abschnitt 3.3.6; Tabelle 3.3.6)	190
5.8.3.1	Mehrphasen-Festbettreaktoren	191
5.8.3.2	Dreiphasenblasensäule	192
5.8.3.3	Mehrphasen-Rührkesselreaktoren	192
5.8.3.4	Strukturierte Mehrphasenreaktoren	192
	Literatur	193
6	Auswahl und Auslegung chemischer Reaktoren	195
6.1	Reaktorauswahl und reaktionstechnische Optimierung	195
6.1.1	Einfache Reaktionen (Umsatzproblem)	195
6.1.1.1	Absatzweise betriebener Reaktor (RK)	195
6.1.1.2	Kontinuierlich betriebene Reaktoren	196
6.1.1.3	Temperaturführung	199
6.1.1.4	Isotherme Reaktionsführung	200
6.1.1.5	Adiabate Reaktionsführung	202
6.1.1.6	Adiabater Abschnittsreaktor	202
6.1.2	Komplexe Reaktionen (Ausbeuteproblem)	204
6.1.2.1	Parallelreaktionen	205
6.1.2.2	Folgereaktionen	206
6.1.2.3	Konkurrierende Folgereaktionen	207
6.1.2.4	Polymerisationsreaktionen	210
6.1.2.5	Temperaturführung	211
6.1.2.5.1	Parallelreaktionen	211
6.1.2.5.2	Folgereaktionen	211
6.2	Thermische Prozesssicherheit	212
6.2.1	Theorie der Wärmeexplosion	212
6.2.2	Parametrische Sensitivität	215
6.2.3	Halbkontinuierlich betriebene Rührkesselreaktoren	217
6.2.4	Kontinuierlich betriebene Rührkesselreaktoren	218
6.2.5	Strömungsrohrreaktoren	218
6.3	Mikrostrukturierte Reaktoren	218
6.3.1	Homogene Reaktionen	219
6.3.1.1	Mikrofluidik	219
6.3.1.2	Verweilzeitverteilung	219
6.3.1.3	Stoff- und Wärmeübergang	220
6.3.2	Heterogen katalysierte Fluid-Fest-Reaktionen	223
6.3.2.1	Innerer Stofftransport	223
6.3.2.2	Äußerer Stofftransport	224
6.3.2.3	Temperaturkontrolle	225
6.3.3	Fluid-Fluid-Reaktionen	225
	Literatur	225

Teil III

Grundoperationen

227

	Jürgen Gmehling, Axel Brehm
7	Konvektiver Stoff- und Wärmetransport	227
7.1	Strömungslehre	227
7.1.1	Strömungsarten, Reynoldssche Ähnlichkeit	227
7.1.2	Mechanik fließfähiger Medien	228
7.1.2.1	Grundlagen der Strömungsgesetze	228
7.1.2.2	Strömung "idealer Fluide"	228
7.1.2.3	Auftreten von Reibungskräften (Strömen von Flüssigkeiten)	229
7.1.3	Strömungsbedingter Druckverlust	230
7.1.3.1	Ungestörte Strömung - Durchströmen eines geraden Rohrs	230
7.1.3.2	Gestörte Strömung - Auftreten örtlicher Druckverluste	231
7.1.3.3	Ausbildung von Wirbelschichten	231
7.2	Fördern von Fluiden: Pumpen, Komprimieren, Vakuumerzeugung	233
7.2.1	Pumpencharakteristika und Pumpenwirkungsgrade	233
7.2.1.1	Pumpencharakteristika	233
7.2.1.2	Pumpenwirkungsgrade	234
7.2.2	Pumpen - Apparate zum Fördern von Flüssigkeiten	234
7.2.2.1	Arbeitsweise von Hubkolbenpumpen	234
7.2.2.2	Arbeitsweise von Kreiselpumpen	235
7.2.2.3	Arbeitsweise von Umlaufkolbenpumpen	236
7.2.3	Verdichten von Gasen	236
7.2.3.1	Druck-Volumen-Diagramm, ein- und mehrstufiges Verdichten	236
7.2.3.2	Bauarten von Kompressoren (Verdichtern)	238
7.2.3.3	Einsatzbereiche von Kompressoren	239
7.2.4	Vakuumerzeugung	240
7.3	Wärmetransportprozesse	241
7.3.1	Wärmeübertragung	241
7.3.1.1	Wärmetransport bei konvektiver Durchmischung	241
7.3.1.2	Wärmetransport durch Strahlung	243
7.3.2	Wärmeführung	244
7.3.2.1	Wärmeträger	244
7.3.2.2	Indirekte Temperaturlenkung	245
7.3.2.3	Direkte Temperaturlenkung	247
7.3.3	Apparative Möglichkeiten zur Temperaturlenkung	248
7.3.3.1	Bauarten von Wärmeaustauschern	248
7.4	Trocknung	249
7.4.1	Trocknungsgüter und Trocknungsarten	249
7.4.2	Kriterien zur Auslegung von Trocknern	249
7.4.3	Apparate zum technischen Trocknen	249
7.4.3.1	Konvektionstrockner	250
74.3.2	Kontakttrockner	250
	Literatur	251
8	Thermodynamische Grundlagen für die Berechnung von Phasengleichgewichten	253
8.1	Phasengleichgewichtsbeziehung	254
8.2	Dampf-Flüssig-Gleichgewicht	255
8.2.1	Anwendung von Zustandsgieichungen	256
8.2.2	Virialgleichung	258
8.2.3	Chemische Theorie	259
8.2.4	Anwendung von Aktivitätskoeffizienten-Modellen	259
8.2.5	Aktivitätskoeffizienten-Modelle	261
8.3	Vorausberechnung von Phasengleichgewichten	265
8.4	Konzentrationsabhängigkeit des Trennfaktors binärer Systeme	268
8.4.1	Bedingung für das Auftreten azeotroper Punkte	268
8.4.2	Rückstandslinien, Grenzdestillationslinien und Destillationsfelder	269
8.5	Flüssig-Flüssig-Gleichgewicht	272
8.6	Gaslöslichkeit	274
8.7	Fest-Flüssig-Gleichgewicht	276
8.8	Phasengleichgewicht für die überkritische Extraktion	279
8.9	Adsorptionsgleichgewichte	280
8.10	Osmotischer Druck	283
	Literatur	284
9	Auslegung thermischer Trennverfahren	287
9.1	Konzept der idealen Trennstufe	287
9.2	Realisierung mehrerer Trennstufen	287
9.3	Kontinuierliche Rektifikation	288
9.3.1	Rektifikationskolonne	288
9.3.2	Ermittlung der Zahl theoretischer Trennstufen	290
9.3.2.1	Binäre Systeme	291
9.3.2.2	Mehrkomponentensysteme	298
9.3.2.2.1	Short-cut-Methoden	298
9.3.2.2.2	Fenske-Gleichung	298
9.3.2.2.3	Konzept der Schlüsselkomponenten	300
9.3.2.2.4	Bestimmung des minimalen Rücklaufverhältnisses mit der Underwood-Gleichung	302
9.3.2.2.5	Festsetzung des Rücklaufverhältnisses und der theoretischen Stufenzahl nach Gilliland	302
9.3.2.2.6	Rigorose Auslegung von Rektifikationskolonnen	303
9.3.2.2.7	Matrixverfahren	303
9.3.2.2.7.1	Wang-Henke-Verfahren	303
9.3.2.2.7.2	Naphtali-Sandholm-Verfahren	308
9.3.3	Konzept der Übertragungseinheit	310
9.4	Trennung azeotroper und eng siedender Systeme	313
9.4.1	Rektifikative Trennung azeotroper und engsiedender Systeme ohne Zusatzstoff	314
9.4.1.1	Trennung durch Rektifikation im Vakuum oder bei erhöhtem Druck	314
9.4.1.2	Trennung binärer heteroazeotroper Systeme	316
9.4.1.3	Zweidruckverfahren	316
9.4.2	Rektifikation mit Hilfsstoffen	318
9.4.2.1	Extraktive Rektifikation	318
9.4.2.2	Azeotrope Rektifikation	320
9.4.3	Wasserdampfdestillation	322
9.5	Reaktive Rektifikation	322
9.6	Zahl der Kolonnen und mögliche Trennsequenzen	324
9.6.1	Energieeinsparung	325
9.7	Diskontinuierliche Rektifikation	326
9.7.1	Einfache diskontinuierliche Destillation	327
9.7.2	Mehrstufige diskontinuierliche Rektifikation	327
9.8	Auslegung von Rektifikationskolonnen	329
9.8.1	Bodenkolonnen	329
9.8.2	Packungskolonnen	332
9.8.3	Wärmetauscher	336
9.8.3.1	Verdampfer	336
9.8.3.2	Kondensatoren	338
9.9	Absorption	339
9.9.1	Lösemittelauswahl	340
9.9.2	McCabe-Thiele-Verfahren	340
9.9.3	Kremser-Gleichung	342
9.9.4	Chemische Absorption	344
9.9.5	Absorberbauarten	345
9.10	Flüssig-Flüssig-Extraktion	345
9.10.1	Auswahl des Extraktionsmittels	347
9.10.2	McCabe-Thiele-Verfahren	347
9.10.2.1	Kremser-Gleichung	349
9.10.3	Anwendung von Dreiecksdiagrammen	349
9.10.4	Extraktoren	352
9.10.4.1	Mixer-Settler	352
9.10.4.2	Extraktionskolonnen	353
9.10.4.3	Zentrifugalextraktoren	354
9.11	Fest-Flüssig-Extraktion	354
9.12	Extraktion mit überkritischen Fluiden	355
9.13	Kristallisation	356
9.13.1	Kristallisationsprozess	356
9.13.2	Kristallisatoren	357
9.14	Adsorption	359
9.14.1	Adsorptionsmittel	360
9.14.2	Adsorptions- und Desorptionsschritt	361
9.14.3	Adsorberbauarten	362
9.15	Membrantrennverfahren	364
9.15.1	Trennprinzip und Arbeitsweise	364
9.15.2	Arten von Membranverfahren	366
9.15.3	Membranmodule	368
	Literatur	370
10	Mechanische Grundoperationen	371
10.1	Mischen fluider Phasen	371
10.1.1	Mischen in flüssiger Phase	371
10.1.1.1	Aufbau von Rührbehältern; Rührorgane und ihre Förderwirkung	371
10.1.1.2	Ermittlung des Leistungsbedarfs für Rührer	373
10.1.1.3	Begasen von Flüssigkeiten, Emulgieren und Suspendieren	375
10.1.2	Flüssigkeitsverteilung in der Gasphase	376
10.1.2.1	Kriterien der Flüssigkeitsverteilung	376
10.1.2.2	Abtropfen, Strahl- und Lamellenzerfall	377
10.1.2.3	Einflussgrößen und Auswahlkriterien beim Zerstäuben	378
10.2	Mechanische Trennverfahren	379
10.2.1	Partikelabtrennung aus Flüssigkeiten	379
10.2.1.1	Sedimentieren und Zentrifugieren	379
10.2.1.2	Filtrieren	382
10.2.2	Partikelabscheidung aus Gasströmen	386
10.2.2.1	Ausnutzung der Schwer- und der Zentrifugalkraft	386
10.2.2.2	Filterelemente, Elektrofilter, Nassentstaubung	388
10.2.3	Trennen weiterer disperser Systeme	389
10.2.3.1	Emulsionstrennung	389
10.2.3.2	Auftrennen von Schäumen (Schaumbrechen und Schaumverhinderung)	390
10.3	Verarbeiten von Feststoffen	391
10.3.1	Zerkleinern von Feststoffen	391
10.3.1.1	Grundlagen des Zerkleinerns	391
10.3.1.2	Energiebedarf beim Zerkleinern	393
10.3.1.3	Zerkleinerungsapparate	394
10.3.2	Klassieren und Sortieren	396
10.3.2.1	Auftrennen des Mahlgut nach Kornklassen (Klassieren)	396
10.3.2.2	Auftrennen des Mahlguts unter Ausnutzung von Stoffeigenschaften (Sortieren)	398
10.3.3	Formgebung	400
	Literatur	402

Teil IV

Verfahrensentwicklung

403

	Arno Behr, Ulfert Onken
11	Gesichtspunkte der Verfahrensauswahl	403
11.1	Stoffliche Gesichtspunkte	403
11.1.1	Phenol - sieben technische Synthesewege	403
11.1.1.1	Alkalischmelze von Natriumbenzolsulfonat	404
11.1.1.2	Wasserdampfhydrolyse von Chlorbenzol (Raschig-Hooker-Verfahren)	404
11.1.1.3	Alkalische Hydrolyse von Chlorbenzol	404
11.1.1.4	Cumolverfahren (Hock-Verfahren)	405
11.1.1.5	Toluoloxidation	405
11.1.1.6	Dehydrierung von Cyclohexanol/Cyclohexanon	406
11.1.1.7	Benzolhydroxylierung mit Distickstoffmonoxid	406
11.1.1.8	Vergleich der Phenolverfahren	406
11.1.2	Zusammenfassung	407
11.2	Katalyse	407
11.2.1	Was ist Katalyse?	407
11.2.2	Heterogene Katalyse	409
11.2.2.1	Grundprinzipien	409
11.2.2.2	Eigenschaften von Feststoff-Katalysatoren	410
11.2.3	Homogene Katalyse	411
11.2.4	Biokatalyse	413
11.2.4.1	Biokatalysatoren	414
11.2.4.2	Biotransformationen	414
11.2.4.3	Entwicklungschancen der Biokatalyse	417
11.2.5	Heterogene und homogene Katalyse - Vergleich und besondere Anwendungsformen	418
11.3	Energieaufwand	418
11.3.1	Energiearten und Energienutzung	418
11.3.2	Wasserstoff	419
11.3.2.1	Wasserstofferzeugung aus fossilen Rohstoffen	420
11.3.2.2	Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse	421
11.3.2.3	Vergleich: Wasserstoff aus fossilen Rohstoffen oder durch Wasserelektrolyse	422
11.3.2.4	Wasserstoff als Energieträger und Energiespeicher	422
11.4	Sicherheit	423
11.4.1	Exotherme Reaktionen	424
11.4.1.1	Ausfall der Kühlung am Beispiel der Blockpolymerisation von Styrol	424
11.4.1.2	Explosion eines Ethylenoxidbehälters als Beispiel einer Wärmeexplosion	425
11.4.1.3	Exotherme Sekundärreaktionen	425
11.4.2	Brennbare und explosive Stoffe und Stoffgemische	426
11.4.2.1	Explosionen	426
11.4.2.2	Explosionsbereich	426
11.4.2.3	Organische Peroxide	427
11.4.2.4	Maßnahmen zur Verhinderung von Explosionen	427
11.4.3	Toxische Stoffe	428
11.4.4	Zusammenfassung und Folgerungen	428
11.5	Umwelt	429
11.5.1	Luftverunreinigungen	429
11.5.2	Abwasserbelastungen	431
11.5.2.1	Ersatz des Chlorhydrinverfahrens für Ethylenoxid und Propylenoxid	432
11.5.2.2	Abwasserreinigung	433
11.5.3	Abfälle	436
11.5.4	Zusammenfassung und Folgerungen	438
11.6	Betriebsweise	439
11.6.1	Beispiel: Hydrierung von Doppelbindungen	439
11.6.1.1	Hydrierung im Suspensionsreaktor	439
11.6.1.2	Hydrierung im Rieselbettreaktor	440
11.6.2	Unterschiede zwischen diskontinuierlichen und kontinuierlichen Verfahren	440
11.6.3	Entscheidungskriterien	442
	Literatur	443
12	Verfahrensgrundlagen	445
12.1	Ausgangssituation und Ablauf	445
12.2	Verfahrensinformationen	447
12.2.1	Übersicht	447
12.2.2	Sicherheitstechnische Kenndaten	447
12.2.3	Toxikologische Daten	449
12.3	Stoff- und Energiebilanzen	451
12.3.1	Stoff- und Energiebilanzen - Werkzeug in Verfahrensentwicklung und Anlagenprojektierung	451
12.3.2	Stoffbilanzen	451
12.3.3	Energiebilanzen	456
12.4	Versuchsanlagen	456
12.4.1	Notwendigkeit und Aufgaben	456
12.4.2	Typen von Versuchsanlagen	457
12.4.3	Planung einer Versuchsanlage	458
12.5	Auswertung und Optimierung	458
12.5.1	Auswertung	459
12.5.2	Prozess-Simulation und Prozessoptimierung	459
	Literatur	460
13	Wirtschaftlichkeit von Verfahren und Produktionsanlagen	463
13.1	Erlöse, Kosten und Gewinn	463
13.2	Herstellkosten	464
13.2.1	Vorkalkulation und Nachkalkulation	464
13.2.2	Ermittlung des Kapitalbedarfs	464
13.2.3	Ermittlung der Herstellkosten	467
13.3	Kapazitätsauslastung und Wirtschaftlichkeit	470
13.3.1	Erlöse und Gewinn	470
13.3.2	Fixe Kosten und veränderliche Kosten	470
13.3.3	Gewinn bzw. Verlust in Abhängigkeit von der Kapazitätsauslastung	471
13.4	Wirtschaftlichkeit von Projekten	472
13.4.1	Rentabilität als Maß für die Wirtschaftlichkeit	472
13.4.2	Kapitalrückflusszeit	473
13.4.3	Andere Methoden der Rentabilitätsbewertung	473
13.4.4	Entscheidung zwischen Alternativen	474
	Literatur	477
14	Planung und Bau von Anlagen	479
14.1	Projektablauf	479
14.2	Projektorganisation	480
14.3	Genehmigungsverfahren für Chemieanlagen	482
14.4	Anlagenplanung	482
14.5	Projektabwicklung	485
14.5.1	Ablaufplanung und -überwachung	485
14.5.2	Bau und Montage	488
	Literatur	489

Teil V

Chemische Prozesse

491

	Arno Behr, Ulfert Onken
15	Organische Rohstoffe	491
15.1	Erdöl	491
15.1.1	Zusammensetzung und Klassifizierung	491
15.1.2	Bildung und Vorkommen	491
15.1.3	Förderung und Transport	493
15.1.4	Erdölraffinerien	496
15.1.5	Thermische Konversionsverfahren	500
15.1.6	Katalytische Konversionsverfahren	501
15.2	Erdgas	506
15.2.1	Zusammensetzung und Klassifizierung	506
15.2.2	Förderung und Transport	506
15.2.3	Weiterverarbeitung	507
15.3	Kohle	508
15.3.1	Zusammensetzung und Klassifizierung	508
15.3.2	Vorkommen	509
15.3.3	Förderung	509
15.3.4	Verarbeitung	510
15.3.4.1	Verkokung	511
15.3.4.2	Kohlevergasung	513
15.3.4.3	Kohlehydrierung	516
15.4	Nachwachsende Rohstoffe	517
15.4.1	Bedeutung der nachwachsenden Rohstoffe	527
15.4.2	Fette und Öle	518
15.4.3	Kohlenhydrate	524
15.4.3.1	Cellulose	524
15.4.3.2	Stärke	526
15.4.3.3	Zucker	527
15.4.4	Pflanzliche Sekrete und Extrakte	528
	Literatur	529
16	Organische Grundchemikalien	531
16.1	Alkane	531
16.1.1	Herstellung	531
16.1.1.1	Methan	531
16.1.1.2	Höhere n- und iso-Alkane	532
16.1.1.3	Cycloalkane	532
16.1.2	Verwendung	532
16.1.2.1	Methan	532
16.1.2.2	Höhere n-Alkane	533
16.1.2.3	Cycloalkane	534
16.2	Alkene	534
16.2.1	Herstellung	534
16.2.2	Verwendung	541
16.3	Aromaten	544
16.3.1	Herstellung	544
16.3.2	Verwendung	547
16.4	Acetylen	550
16.4.1	Herstellung	550
16.4.1.1	Acetylen aus Kohle	550
16.4.1.2	Acetylen aus Kohlenwasserstoffen	551
16.4.2	Verwendung	551
16.5	Synthesegas	552
16.5.1	Herstellung	552
16.5.1.1	Steamreforming	553
16.5.1.2	Partielle Oxidation	555
16.5.2	Verwendung	555
16.5.3	Kohlenmonoxid	556
	Literatur	557
17	Organische Zwischenprodukte	559
17.1	Sauerstoffhaltige Verbindungen	559
17.1.1	Alkohole	559
17.1.1.1	Methanol	559
17.1.1.2	Ethanol	563
17.1.1.3	Propanole	566
17.1.1.4	Butanole	566
17.1.1.5	Längerkettige Alkohole	566
17.1.1.6	Cyclische Alkohole	566
17.1.1.7	Ungesättigte Alkohole	566
17.1.1.8	Mehrwertige Alkohole	567
17.1.2	Phenole	568
17.1.3	Ether	569
17.1.3.1	Aliphatische Ether	569
17.1.3.2	Cyclische Ether	569
17.1.4	Epoxide	570
17.1.4.1	Ethylenoxid	570
17.1.4.2	Propylenoxid	571
17.1.5	Aldehyde	572
17.1.5.1	Formaldehyd (Methanal)	572
17.1.5.2	Acetaldehyd (Ethanal)	573
17.1.5.3	Butyraldehyde (Butanale)	574
17.1.5.4	Ungesättigte Aldehyde	576
17.1.6	Ketone	576
17.1.6.1	Aceton und Methylisobutylketon	576
17.1.6.2	Methylethylketon	577
17.1.7	Carbonsäuren	577
17.1.7.1	Ameisensäure	577
17.1.7.2	Essigsäure	578
17.1.7.3	Ungesättigte Carbonsäuren	580
17.1.7.4	Aliphatische Dicarbonsäuren	580
17.1.7.5	Aromatische Carbonsäuren	581
17.2	Stickstoffhaltige Verbindungen	583
17.2.1	Amine	583
17.2.1.1	Niedere Amine	584
17.2.1.2	Fettamine	584
17.2.1.3	Diamine	584
17.2.1.4	Cyclische Amine	584
17.2.1.5	Aromatische Nitroverbindungen und Amine	585
17.2.2	Lactame	586
17.2.3	Nitrile	586
17.2.3.1	Acrylnitril	586
17.2.3.2	Adipodinitril	587
17.2.4	Isocyanate	588
17.2.4.1	Aliphatische Isocyanate	588
17.2.4.2	Aromatische Isocyanate	589
17.3	Halogenhaltige Verbindungen	589
17.3.1	Chlormethane	589
17.3.2	Chlorderivate höherer Aliphaten	591
17.3.3	Chloraromaten	593
17.3.4	Fluorverbindungen	594
	Literatur	595
18	Anorganische Grund- und Massenprodukte	597
18.1	Anorganische Schwefelverbindungen	597
18.1.1	Schwefel und Sulfide	597
18.1.2	Schwefeldioxid	597
18.1.3	Schwefeltrioxid und Schwefelsäure	598
18.2	Anorganische Stickstoffverbindungen	598
18.2.1	Ammoniak	598
18.2.2	Salpetersäure	602
18.2.3	Harnstoff und Melamin	603
18.3	Chlor und Alkalien	603
18.3.1	Chlor und Alkalilauge durch Alkalichloridelektrolyse	603
18.3.2	Natronlauge und Soda	605
18.4	Phosphorverbindungen	606
18.4.1	Elementarer Phosphor	606
18.4.2	Phosphorsäure und Phosphate	607
18.5	Technische Gase	607
18.5.1	Sauerstoff und Stickstoff	608
18.5.2	Edelgase	609
18.5.3	Kohlendioxid	610
18.6	Düngemittel	610
18.6.1	Bedeutung der Düngemittel	610
18.6.2	Stickstoffdüngemittel	610
18.6.3	Phosphordüngemittel	611
18.6.4	Kalidüngemittel	611
18.6.5	Mehrnährstoffdünger	612
18.6.6	Wirtschaftliche Betrachtung	612
18.7	Metalle	612
18.7.1	Stähle	612
18.7.2	Nichteisenmetalle und ihre Legierungen	613
18.7.3	Korrosion und Korrosionsschutz	613
	Literatur	614
19	Chemische Endprodukte	617
19.1	Polymere	617
19.1.1	Aufbau und Synthese von Polymeren	617
19.1.1.1	Stufenreaktionen	618
19.1.1.2	Kettenreaktionen	618
19.1.2	Polymerisationstechnik	621
19.1.3	Massenkunststoffe	625
19.1.4	Fasern	629
19.1.5	Klebstoffe	629
19.1.6	Hochtemperaturfeste Kunststoffe	630
19.1.7	Elektrisch leitfähige Polymere	630
19.1.8	Flüssigkristalline Polymere	631
19.1.9	Biologisch abbaubare Polymere	631
19.2	Tenside und Waschmittel	632
19.2.1	Aufbau und Eigenschaften	632
19.2.2	Anionische Tenside	632
19.2.3	Kationische Tenside	634
19.2.4	Nichtionische Tenside	634
19.2.5	Amphotere Tenside	637
19.2.6	Vergleich der Tensidklassen	637
19.2.7	Anwendungsgebiete	639
19.3	Farbstoffe	642
19.3.1	Übersicht	642
19.3.2	Azofarbstoffe	643
19.3.3	Carbonylfarbstoffe	644
19.3.4	Methinfarbstoffe	645
19.3.5	Phthalocyanine	646
19.3.6	Färbevorgänge	646
19.4	Pharmaka	648
19.4.1	Allgemeines	648
19.4.2	Arten pharmazeutischer Produkte	648
19.4.3	Wirkstoffherstellung durch chemische Synthese	652
19.4.4	Wirkstoffherstellung mit Biokatalysatoren	653
19.4.5	Wirkstoffherstellung durch Fermentationsverfahren	654
19.4.6	Sonstige Verfahren zur Wirkstoffherstellung	657
19.5	Pflanzenschutzmittel	657
19.5.1	Bedeutung des Pflanzenschutzes	657
19.5.2	Insektizide	657
19.5.3	Herbizide	659
19.5.4	Fungizide	660
19.5.5	Marktdaten und Entwicklungstrends	661
19.6	Metallorganische Verbindungen	661
19.7	Silicone	663
19.7.1	Struktur und Eigenschaften	663
19.7.2	Herstellung der Ausgangsverbindungen	664
19.7.3	Herstellung der Silicone	665
19.7.4	Technische Siliconerzeugnisse	667
19.8	Zeolithe	667
	Literatur	669

Anhang

673

Anhang 1	Größen zur Charakterisierung von Reaktionen, Verfahren und Anlagen	673
Anhang 2	Tabellen zu Reinstoffdaten	675
Anhang 3	Graphische Symbole für Fließschemata nach EN ISO 10 628	679
Anhang 4	Programm zur Auslegung von Rektifikationskolonnen	689

Stichwortverzeichnis

705