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Über dieses Buch

Zum Lehrbuch:

Dieses kompakte Einführungslehrbuch vermittelt die wesentlichen Grundlagen der Technischen Chemie. Es richtet sich in erster Linie an Studierende der Chemie sowie des Chemie- und des Bioingenieurwesens und setzt lediglich solide Grundkenntnisse in organischer, anorganischer und physikalischer Chemie voraus. Das Werk ist in 19 etwa gleich lange Kapitel unterteilt, die jeweils ungefähr dem Umfang einer doppelstündigen Vorlesung mit Übung entsprechen. Die überschaubaren Einheiten erleichtern es auch, sich den Inhalt im Selbststudium anzueignen. Die vier Kapitelblöcke „Grundlagen", „Reaktions- und Trenntechnik", „Verfahrensentwicklung" und „Chemische Prozesse" folgen im Wesentlichen dem „Lehrprofil Technische Chemie" des DECHEMA-Unterrichtsausschusses für Technische Chemie.

Der Teil „Grundlagen" liefert allgemeine Definitionen und beschreibt den Weg von der Laborchemie über den Technikums- bis zum Produktionsmaßstab. Der Leser erhält hier Informationen über den aktuellen Prozessverbund der chemischen Industrie und über die wesentlichen Produktstammbäume. Zwei Kapitel über physikalisch-chemische Grundlagen legen die Basis für das Verständnis der Abläufe in industriellen Reaktions- und Trennapparaturen. Im Teil „Reaktions- und Trenntechnik" wird zunächst der Reaktionsteil eines chemischen Prozesses betrachtet, einschließlich einer Übersicht über ideale und reale Reaktortypen. Das nächste Thema sind die thermischen und mechanischen Grundoperationen, die zur Vorbereitung von Edukten und zur Nachbereitung von Prozessströmen von wesentlicher Bedeutung sind. Schließlich wird der Leser mit dem Aufbau von chemischen Fließschemata vertraut gemacht, die die Kommunikation zwischen dem Chemiker und dem Ingenieur erleichtern. Der Teil „Verfahrensentwicklung" widmet sich den entscheidenden Aspekten bei der Auswahl eines chemischen Verfahrens für die industrielle Chemie. Hier geht es um Fragen wie die Auswahl der optimalen Rohstoffe, die Verwendung von Koppelprodukten und die Nutzung von Energieströmen. Auch die bei der Verfahrensentwicklung zu berücksichtigenden Sicherheitsauflagen und Umweltaspekte kommen zur Sprache. Da bei der Optimierung chemischer Prozesse katalytische Reaktionen eine zentrale Rolle einnehmen, stellen eigene Kapitel die heterogene und die homogene Katalyse an wichtigen Beispielen vor. Der Teil „Chemische Prozesse" gibt einen kurzen Überblick über die wichtigsten Produktgruppen der industriellen Chemie. Von den Rohstoffen Erdöl, Erdgas und Kochsalz ausgehend werden bedeutende organische und anorganische Basis- und Zwischenchemikalien vorgestellt. Wesentliche Endprodukte der chemischen Industrie, die Polymeren und die organischen Feinchemikalien, sind ein weiteres Thema. Ausführlich diskutiert werden schließlich auch moderne Trends wie beispielsweise der langfristige Wechsel von fossilen zu nachwachsenden Rohstoffen.

Jedes Kapitel ist kompakt aufgebaut und mit Abbildungen, Gleichungen, Fließschemata, Tabellen, Apparatezeichnungen und Fotos anschaulich gestaltet. Die Kapitel enden jeweils mit einer kurzen Zusammenfassung, den „Take Home Messages". Diese rekapitulieren noch einmal alle wesentlichen Aussagen des Kapitels und ermöglichen eine zügige Wiederholung des Lernstoffes. Ergänzt wird jedes Kapitel durch zehn kurze Testfragen, die sogenannten „Quickies", die sich nach sorgfältigem Durcharbeiten des Textes schnell lösen lassen; die Antworten stehen zudem am Ende des Buches. Dort findet man ferner zu allen Kapiteln die Literaturangaben, die sich auf wesentliche Nachschlagewerke und Lehrbücher konzentrieren.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Grundlagen

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1. Die chemische Industrie

Die „Technische Chemie“ ist ein Lehrfach an Universitäten und Hochschulen. Nach dem die Studierenden der Chemie in den ersten Semestern ihres Studiums ausrei chen de theoretische Kenntnisse in Allgemeiner, Anorganischer, Organischer und Physikalischer Chemie erlangt haben, soll die Technische Chemie einen Blick auf die praktische Anwendung dieser Naturwissenschaft in unserer Wirtschaft lenken. Es gibt keine „biologische Industrie“, „physikalische Industrie“ oder „mathematische Industrie“, wohl aber seit über 150 Jahren eine „chemische Industrie“, die in dieser lan gen Zeit zahlreiche chemische Prozesse entwickelt und dazu vielfältige Methoden erarbeitet hat. Das Lehrfach Technische Chemie gibt einen Überblick über diese Pro zesse und Methoden und erleichtert dadurch den Schritt von der Universität zur beruflichen Praxis.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen

2. Vom Rohstoff zur Endchemikalie

Technisch-chemische Umsetzungen basieren auf organischen und anorganischen Rohstoffen. Zu den wichtigsten organischen Rohstoffen gehören Erdgas, Erdöl und Kohle sowie die nachwachsenden Rohstoffe. Zu den bedeutendsten anorganischen Grundstoffen gehören Schwefel, Stickstoff , Sauerstoff , Steinsalz, Wasser, Metall oxide und Phosphate.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen

3. Vom Laborversuch zur chemischen Anlage

Im chemischen Labor werden Experimente oft in einem sehr kleinen Maßstab durch geführt: In 100 mL- oder 1 L-Glaskolben werden – verdünnt in relativ viel Lösungs mittel – häufig nur mehrere Gramm einer Wertsubstanz synthetisiert. Für manche ana lytische Zwecke reicht es manchmal auch aus, eine chemische Fällung oder einen Farbumschlag in einem Reagenzglas oder die Verschiebung eines Signals im NMR-Röhrchen zu beobachten. Die für präparative Synthesen zur Verfügung stehenden La borge räte sind jedem Chemiker bestens bekannt.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen

4. Physikalisch-chemische Grundlagen I: Gleichgewichte und Thermodynamik

Energie, insbesondere Wärme, nimmt eine Schlüsselrolle in der technischen Chemie ein. Sie ist nicht nur ein kostspieliges Betriebsmittel, sondern auch ein wertvolles Nebenerzeugnis. Die effektive Wärmeintegration, das heißt die Verwertung von Abwärme als eine Wärmequelle für andere Anlagen oder Anlagenteile, leistet einen wesentlichen Beitrag zur Wirtschaft lichkeit von Chemieanlagen oder sogar von Produktionsstandorten. Während die ersten Reaktionsstufen zur Alkanfunktionalisierung im Steamcracker und im Steamreforming (► Kap. 12 und 14) größere Wärmemengen bei hohen Temperaturen benötigen, wird bei der Synthese der nachfolgenden Zwischenprodukte, beispielsweise Acrylsäure (► Kap. 11), Wärme bei mittleren Temperaturen meist freigesetzt. Die hauptsächlich destillativen Aufarbeitungsstufen (► Kap. 7) verbrauchen andererseits in erster Linie Niedertemperaturwärme, die in den Kondensatoren als Abwärme abgegeben wird. Die zur Wärmerückgewinnung, Aufh eizung und Abkühlung eingesetzten Wärmetauscher sind aufwendige Apparate, die üblicherweise einen erheblichen Kostenpunkt der meisten chemischen Produktionsanlagen darstellen.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen

5. Physikalisch-chemische Grundlagen II: Kinetik und Transportprozesse

Die Reaktionskinetik ist ein Teilbereich der physikalischen Chemie, der sich mit dem zeitlichen Verlauf chemischer Reaktionen befasst. Die Kinetik bildet die Grundlage für die quantitative Beschreibung des Reaktionsablaufs (Reaktionsgeschwindigkeit) als Funktion der Reaktionsbedingungen und liefert auch Einblicke in die elementaren Schritte einer chemischen Reaktion (Reaktionsmechanismus). In der technischen Chemie stellt die Reaktionskinetik eine wichtige Voraussetzung für die systematische Reaktorauslegung und für die effektive Reaktorsteuerung dar. Die so genannte Mikrokinetik bezeichnet den rein chemischen Teil des Reaktionsablaufs, während die Makrokinetik auch die überlagernden Stoff - und Wärmetransportvorgänge, die die gesamte Reaktionsgeschwindigkeit, insbesondere bei mehrphasigen Reaktionssystemen, beeinflussen können, berücksichtigt.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen

Reaktions- und Trenntechnik

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6. Chemische Reaktoren

Der Reaktor nimmt eine Schlüsselrolle in einer Chemieanlage ein, die über seine Bedeutung als apparativer Standort der chemischen Umsetzung hinausgeht und in Abbildung 6.1 illustriert wird. Inwieweit die Reaktion oder der dafür verwendete Katalysator (► Kap. 12 und 13) Fremdstoffe verträgt, bestimmt die erforderliche Vorreinigung der Einsatzstoffe. Oft reichen beispielsweise nur Spuren von Schwefel, um eine katalytische Reaktion zum Erliegen zu bringen. Daher werden vorgeschaltete Entschwefelungsverfahren benötigt, die dieses Katalysatorgift auf Restkonzentrationen bis in den Zehntel-ppm-Bereich entfernen.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen

7. Thermische Trennverfahren I (Destillation und Rektifikation)

In der organisch-präparativen Chemie kommt die Destillation als universelles Reinigungsver fahren für verdampfb are Flüssigkeiten bevor zugt zum Einsatz. Auch in der chemischen In dustrie sind destillative Verfahren die bei Wei tem am häufi gsten eingesetzten Trennoperatio nen, wie es die Beispiele ab ► Kapitel 14 zeigen.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen

8. Thermische Trennverfahren II (Absorption und Extraktion)

Destillation und Rektifi kation setzen voraus, dass die zu trennenden Stoffe sowohl als Flüs sigkeit als auch als Dampf vorliegen und dass ein ausreichender Unterschied in der Zusam mensetzung der Phasen erreicht werden kann.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen

9. Mechanische Verfahren

Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen

10. Fließbilder

Eine chemische Produktionsanlage lässt sich am übersichtlichsten als Fließbild darstellen, vergleichbar vielleicht mit einem Stadtplan oder besser noch mit einem elektrischen Schalt plan. Je nachdem, ob man die wesentlichen Informationen mit einem Blick erfassbar dar stellen möchte, oder sämtliche Detailinformati onen zusammengefasst verfügbar haben will, gibt es sehr unterschiedliche Ausführungsfor men von Fließbildern.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen

Verfahrensentwicklung

Frontmatter

11. Verfahrensauswahl

In den meisten Fällen existieren mehrere Möglichkeiten, eine Chemikalie X tech nisch herzu stellen. Eine Industriefi rma wird sich aber immer für den Syntheseweg ent scheiden, der lang fris tig die höchste Wirtschaftlichkeit verspricht.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen

12. Heterogene Katalyse

Viele chemische Reaktionen laufen nur langsam oder auf hohem Temperaturniveau ab, was einen hohen Energieeintrag erfordert und die Reaktionsselektivität beeinträchtigt. Durch den Einsatz von Katalysatoren kann die notwendige Aktivierungsenergie herabgesetzt und die erwünschte Reaktion beschleunigt oder erst ermöglicht werden. Eine heute noch gültige Defi nition der Katalyse führte Wilhelm Ostwald Ende des 19. Jahrhunderts ein: „Ein Katalysator ist jeder Stoff, der, ohne im Endprodukt einer chemischen Reaktion zu erscheinen, ihre Geschwindigkeit verandert.“
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen

13. Homogene Übergangsmetallkatalyse

Das Prinzip der Katalyse wurde bereits in Kapitel 12 am Beispiel des heterogenen Ammoniak-Katalysators vorgestellt. Bei der heterogenen Katalyse bilden der Ka talysator und die Reaktanten zwei verschieden Phasen: Der Katalysator ist zu meist ein Feststoff, die Reaktanten sind entweder flüssig oder gasförmig. Neben der heterogenen Katalyse gibt es auch noch die homogene Katalyse, bei der der Katalysator in dem flüssigen Reaktanten oder in einer Lösung der Reaktanten gelöst ist. Der homogene Katalysator kann eine Säure, eine Base oder eine organische Ver bindung sein, häufi g handelt es sich jedoch um einen löslichen Übergangsmetallkomplex. Man spricht dann von homogener Ubergangsmetallkatalyse.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen

Chemische Prozesse

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14. Organische Basischemikalien (Erdöl und Raffinerieverfahren)

Bereits im Altertum ist die Menschheit auf Erdölquellen gestoßen und hat diesen Roh stoff in geringem Umfang für medizinische oder Beleuchtungszwecke genutzt. Mitte des 19. Jahrhunderts begann, zuerst in den Vereinigten Staaten von Amerika, eine systematische und intensive Suche nach diesem fossilen Rohstoff und seit Mitte des 20. Jahrhunderts ist das Erdöl der mit Abstand wichtigste Rohstoff für die chemische Industrie.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen

15. Technische Chemie der Alkene und Aromaten

Die industrielle Folgechemie des Ethens ist sehr umfangreich. Abbildung 15.1 gibt einen Überblick über die wichtigsten technischen Folgereaktionen.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen

16. Organische Endprodukte

Die chemische Industrie produziert eine enorme Vielzahl an organischen End produkten. Einige dieser Produktgruppen wurden bereits im ersten Kapitel, in Tabelle 1.3, kurz erwähnt. Im vorliegenden Kapitel werden die wichtigsten Endprodukte vor gestellt und insbesondere die Kunststoff e am Beispiel des Polystyrols näher be schrieben. Im folgenden Kapitel 17 werden außerdem noch Endprodukte aus dem Bereich der organischen Feinprodukte, insbesondere Pharmaka und Vitamine, detaillierter betrachtet.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen

17. Organische Feinchemikalien

Neben den in großen Mengen hergestellten Produkten der industriellen Chemie, die in Kapitel 16 beispielhaft besprochen wurden, gibt es eine Vielzahl von Chemikalien, die zwar nur in relativ kleinen Mengen produziert werden, dafür aber sehr wertvoll sind, die so genannten Fein- oder Spezialchemikalien.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen

18. Nachwachsende Rohstoffe

Neben dem Erdöl, dem Erdgas und der Kohle sind die nachwachsenden Rohstoffe wich tige Ausgangsstoffe für die organisch-technische Chemie. Im Jahr 2005 wurden weltweit ca. 245 Mio. t fossiler und nachwachsender Rohstoffe in der chemischen In dustrie verarbeitet, davon waren 10,4 %, also ca. 25 Mio. t, auf Basis nach wach sen der Rohstoffe (engl. renewables). Der Anteil der nachwachsenden Rohstoffe ist in den letzten Jahrzehnten von 8 % auf jetzt über 10 % gestiegen, und aufgrund der zunehmen den Verknappung gut zugänglicher fossiler Rohstoffe wird dieser Anteil in den kommenden Jahren noch deutlich zunehmen.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen

19. Elektrochemische Verfahren

In allen bisher behandelten Beispielen chemischer Verfahren wird allein thermische Energie umgesetzt. Sowohl für exotherme als auch für endotherme Reaktionen müssen die Reaktionsbedingungen, z. B. Temperatur, Konzentrationen und Druck, so eingestellt werden, dass die freie Reaktionsenthalpie ΔG<0 wird, und die Reaktion freiwillig ablaufen kann (► Kap. 4). Die Reaktionsgeschwindigkeit wird durch die Arrhenius- Gleichung (5.4) (► Kap. 5) als Funk tion der Temperatur beschrieben. Die Aktivie rungsenergie kann selektiv durch Katalysatoren erniedrigt werden, sodass sich die Reaktionen in die gewünschte Richtung steuern lassen.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen

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