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Technische Chemie für Einsteiger ... komprimiert, klar, lernbar

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 Grundkenntnisse in Organischer, Anorganischer und Physikalischer Chemie voraus. Der Stoff ist in vier Teile gegliedert:

I. Grundlagen: Der Weg von der Laborchemie über den Technikums- bis zum Produktionsmaßstab — Prozessverbund der chemischen Industrie — Produktstammbäume — Physikalisch-chemische Grundlagen

II. Reaktions- und Trenntechnik: Der Reaktionsteil chemischer Prozesse — Ideale und reale Reaktortypen — Thermische und mechanische Grundoperationen — Vorbereitung von Edukten — Nachbereitung von Prozessströmen — Chemische Fließschemata

III. Verfahrensentwicklung: Auswahl chemischer Verfahren für die industrielle Chemie — Optimale Rohstoffe — Umweltaspekte — Heterogene Katalyse — Homogene Katalyse — Wirtschaftlichkeit

IV. Chemische Prozesse: Wichtigste Produktgruppen der industriellen Chemie — Verarbeitung fossiler Rohstoffe — Organische und anorganische Basis- und Zwischenchemikalien — Endprodukte — Polymere — Organische Feinchemikalien — Nachwachsende Rohstoffe

Die aktualisierte zweite Auflage enthält wesentliche Ergänzungen in den Kapiteln zur Katalyse, zur Verarbeitung fossiler Rohstoffe, zur Olefin- und Aromatenchemie, zur Polymerisation und zur Elektrochemie sowie ein gänzlich neues Kapitel zur Wirtschaftlichkeit chemischer Prozesse.

Jedes Kapitel ist kompakt aufgebaut und mit Abbildungen, Gleichungen, Fließschemata, Tabellen, Apparatezeichnungen und Fotos anschaulich gestaltet. Alle Kapitel enden mit einer kurzen Zusammenfassung, den "Take Home Messages". Ergänzt wird jedes Kapitel durch zehn kurze Testfragen, die sich nach sorgfältigem Durcharbeiten des Textes schnell lösen lassen; die Antworten stehen am Ende des Buches. Zu allen Kapiteln findet man Literaturangaben, die sich auf wesentliche Nachschlagewerke und Lehrbücher konzentrieren.

Table of Contents

Frontmatter

Grundlagen

Frontmatter

1. Die chemische Industrie

Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird der Begriff „Technische Chemie (TC)“ definiert und die Stellung der TC in der Chemieausbildung erläutert. Beispielhaft werden typische Fragestellungen vorgestellt, die in der TC behandelt werden. Im Abschnitt „Chemiewirtschaft“ wird die Bedeutung der chemischen Industrie für den Standort Deutschland sowie die Position Deutschlands innerhalb der größten Chemienationen der Welt beschrieben. Vorgestellt werden weiterhin wichtige Produktgruppen der chemischen Industrie, die Bedeutung von Forschung- und Entwicklung sowie die Position großer, mittlerer und kleiner Chemiefirmen im Umfeld der Globalisierung.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen, Andreas J. Vorholt

2. Vom Rohstoff zur Endchemikalie

Zusammenfassung
Im Kapitel 2 wird die Verbundstruktur der chemischen Industrie behandelt. Aus relativ wenigen anorganischen und organischen Rohstoffen werden einige Dutzend Grundchemikalien hergestellt, die zu mehreren Hundert Zwischenchemikalien umgesetzt werden. Am Ende dieser stark verzweigten Kette stehen mehrere Tausend Endprodukte wie z.B. Kunststoffe, Waschmittel oder Pharmaka. An Beispielen werden die wichtigen Begriffe Wert-, Koppel- und Nebenprodukte sowie Konsekutiv- und Parallelreaktionen erklärt. Ein typischer Produktstammbaum zeigt u.a. die Wege von den Rohstoffen Erdöl, Wasser und Luft zu bedeutenden Polymeren, Lösungs- und Düngemitteln.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen, Andreas J. Vorholt

3. Vom Laborversuch zur chemischen Anlage

Zusammenfassung
Im Kapitel 3 wird die Maßstabsvergrößerung von Laborversuchen zu Produktionsanlagen vorgestellt. Am Beispiel der Benzolchlorierung wird ein Laborversuch im 1L-Maßstab mit einer Produktionsanlage von 25 m3 Inhalt verglichen und wichtige Unterschiede z.B. bei der Wärmeabfuhr, bei der Durchmischung der Lösung und bei den Werkstoffen der Anlagen diskutiert. Die Begriffe „Chargenbetrieb“ und „kontinuierliche Reaktionsführung“ werden erläutert und Vor- und Nachteile gegenüber gestellt. Zur Maßstabsvergrößerung werden in der chemischen Industrie verschiedene Anlagentypen eingesetzt, die in diesem Kapitel vorgestellt werden, u.a. Mikro- und Miniplants, Mehrproduktanlagen und Pilotanlagen.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen, Andreas J. Vorholt

4. Physikalisch-chemische Grundlagen I: Gleichgewichte und Thermodynamik

Zusammenfassung
Kapitel 4 setzt sich mit den thermodynamischen Grundlagen der Reaktions- und Trenntechnik auseinander. Zunächst werden der Begriff der „Reaktionsenthalpie“ und dessen entscheidende Bedeutung für die Reaktionsführung in Chemieanlagen geschildert. Es folgt eine Behandlung des chemischen Gleichgewichts, aus dem die maximal erreichbaren Umsätze einer chemischen Umsetzung hervorgehen, sowie möglicher Strategien zur Begünstigung der Gleichgewichtslage. Schließlich werden wesentliche Aspekte der Phasengleichgewichte vermittelt. Ausgehend vom Phasenverhalten der Reinstoffe werden einschlägige Modellansätze, wie etwa Zustandsgleichungen, zur Ermittlung der Dampf-Flüssig-Gleichgewichte idealer und nichtidealer Gemische abgeleitet, die als Fundament zur Auslegung technischer Destillationsprozesse dienen.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen, Andreas J. Vorholt

5. Physikalisch-chemische Grundlagen II: Kinetik und Transportprozesse

Zusammenfassung
Kapitel 5 wird der Reaktionskinetik und den physikalischen Transportprozessen gewidmet. Die ausschlaggebende Reaktionsgeschwindigkeit, die von den Temperatur- und Konzentrationsverhältnissen bestimmt wird und eine Schlüsselrolle bei der Reaktorauslegung einnimmt, wird vorgestellt. Die Konzentrationsverläufe bei einfachen und vernetzten Reaktionen sowie die Wechselwirkung zwischen Kinetik und Gleichgewicht werden dargelegt. Wie man eine Kinetik anhand mechanistischer Vorstellungen erhält, wird am Beispiel der heterogenen Katalyse verdeutlicht. Die verschiedenen Grundarten der Stoff- und Wärmetransportprozesse werden beschrieben. An-schließend wird der Stoffdurchgang zwischen zwei verschiedenen Phasen, auch mit gleichzeitig auftretender chemischer Reaktion, ein.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen, Andreas J. Vorholt

Reaktions- und Trenntechnik

Frontmatter

6. Chemische Reaktoren

Zusammenfassung
Der chemische Reaktor bildet das Herzstück einer Chemieanlage. Die wesentlichen Merkmale der Reaktorleistung werden im sechsten Kapitel zunächst mit Hilfe von Überlegungen zu den Verhaltensmustern idealisierter diskontinuierlicher und kontinuierlicher Reaktorfahrweisen und deren Verschaltungen übermittelt. Das Werkzeug der Verweilzeitverteilung zur Erfassung der betrieblichen Charakteristika von realen Reaktoren sowie die Bedeutung weiterer technischer Faktoren bei der Reaktorauslegung, wie z.B. der Wärmeabfuhr, werden erläutert. Die zweckdienliche Nutzung dimensionsloser Kennzahlen, wie die „Damköhler- und Bodenstein-Zahlen“ zur Modellierung chemischer Reaktoren wird veranschaulicht.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen, Andreas J. Vorholt

7. Thermische Trennverfahren I (Destillation und Rektifikation)

Zusammenfassung
Die wichtigsten Trennverfahren im Labor und in der Industrie sind Destillation und Rektifikation, die in einer Kolonne mehrfach durchgeführte Destillation. Voraussetzung ist dabei eine unterschiedliche Zusammensetzung des Dampfes und der Flüssigkeit im Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht (Vapour Liquid Equilibrium, VLE, siehe Abschn. 4.3), dessen Konsequenzen für unterschiedliche Stoffgemische diskutiert werden. Ein Schwerpunkt liegt auf den graphischen Berechnungsmethoden für die diskontinuierliche Destillation und die Rektifikation (McCabe-Thiele-Verfahren) sowie auf der praktischen Durchführung der Rektifikation und industriell üblichen Apparaten. Verfahren zur destillativen Trennung azeotroper oder eng siedender Gemische werden erläutert.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen, Andreas J. Vorholt

8. Thermische Trennverfahren II (Absorption, Extraktion u. a.)

Zusammenfassung
Nach einer Übersicht über thermische Trennverfahren, die häufig unter Einsatz thermischer Energie arbeiten, wird zunächst die Absorption, die als Gaswäsche große industrielle Bedeutung hat, vorgestellt. Die Flüssig-flüssig-Extraktion dient in der Industrie als Alternative bzw. Ergänzung destillativer Trennverfahren. Ihre graphische Berechnung, industrielle Extraktionsapparate und Verfahrensbeispiele sowie Kriterien für die Lösungsmittelauswahl werden erläutert. Die Adsorption wird einschließlich der Sonderfälle Ionenaustauscher und chromatografische Verfahren dargestellt. Es folgen kurze Hinweise zur Kristallisation, zur Trocknung und zu Membranverfahren.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen, Andreas J. Vorholt

9. Mechanische Verfahren

Zusammenfassung
Zunächst wird ein Überblick über für die technische Chemie relevante mechanische Verfahren gegeben. Das Mischen, insbesondere das Rühren, wird diskutiert wegen seiner zentralen Bedeutung in der chemischen Verfahrenstechnik, wobei auch Konstruktionen für Wellendichtungen und die Konsequenzen unterschiedlicher Scherkräfte zur Sprache kommen. Pumpen und Verdichter bzw. Vakuumpumpen sind unverzichtbare Apparate in Chemieanlagen. Funktion und Einsatzbereiche wesentlicher Ausführungsformen werden erläutert. Als weiteres Beispiel mechanischer Verfahren wird die Abtrennung von Feststoffen aus Flüssigkeiten vorgestellt, speziell die Filtration einschließlich technischer Apparate wie Rahmenfilterpresse und Vakuumtrommelfilter.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen, Andreas J. Vorholt

10. Fließbilder

Zusammenfassung
Fließbilder sind unverzichtbar, um chemische Prozesse verständlich zu machen. Das Grundfließbild zeigt als übersichtliches Kästchenschema die Verknüpfung der wesentlichen Prozessstufen. Im Verfahrensfließbild ist die konkrete Ausführung des Prozesses zu sehen mit den wichtigsten Apparaten, die als Normsymbole dargestellt werden. Das Rohrleitungs- und Instrumenten-Fließbild (RI-Fließbild) enthält sämtliche Informationen über Apparate, Rohrleitungen und Instrumentierung einer Chemieanlage. Im Text des Kapitels werden wichtige Normsymbole, wesentliche Begriffe der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik (MSR), einschließlich der genormten Symbole für das RI-Fließbild, sowie Armaturen und Reglerkonzepte für Chemieanlagen erläutert.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen, Andreas J. Vorholt

Verfahrensentwicklung

Frontmatter

11. Verfahrensauswahl

Zusammenfassung
Vielfach gibt es mehrere Möglichkeiten, eine Chemikalie zu synthetisieren. In der chemischen Industrie wird immer der Weg gesucht, auf dem die Chemikalie in einer definierten Qualität am kostengünstigsten hergestellt werden kann. Am Beispiel der Acrylsäure wird erläutert, dass sich solche Wege im Laufe der Zeit ändern können, weil z.B. neue billige Rohstoffe oder verbesserte Katalysatoren zur Verfügung stehen. Bei der Acrylsäure wurden alte Synthesemethoden abgelöst durch die katalytische Propenoxidation nach dem Zweistufenverfahren, das in einem Verfahrensfließbild erläutert wird. Auch auf mögliche zukünftige Synthesen der Acrylsäure und auf ihre vielseitige Verwendung wird kurz eingegangen.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen, Andreas J. Vorholt

12. Heterogene Katalyse

Zusammenfassung
Die Katalyse stellt eine Schlüsseltechnologie der technischen Chemie dar, die vor allem bei der Selektivitätslenkung im Produktverbund der chemischen Industrie eine unentbehrliche Rolle spielt. Bei den in Kapitel 12 behandelten festen heterogenen Katalysatoren wird die leichte Abtrennung vom fluiden Reaktionsmedium durch leistungsmindernde Stofftransportwiderstände erkauft. Diese Gegensätzlichkeit wird mit Hilfe des „Thiele-Moduls“ analysiert bzw. aufgeklärt. Der Einsatz eines Heterogenkatalysators zur Erfüllung teils widersprüchlicher kinetischer und thermodynamischer Anforderungen wird anhand der Ammoniak-Synthese zur Kunstdüngerherstellung illustriert. Weitere Einzelheiten dieses Verfahrens, wie etwa die Wasserstofferzeugung und die Besonderheiten des Synthesereaktors und der Syntheseanlage, werden ebenfalls erläutert.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen, Andreas J. Vorholt

13. Homogene Übergangsmetallkatalyse

Zusammenfassung
Bei der homogenen Übergangsmetallkatalyse ist der Metallkomplex-Katalysator in einem flüssigen Edukt oder in einem Lösungsmittel vollständig gelöst. In einer Tabelle wird diese homogene Katalyse mit der heterogenen Katalyse (vgl. Kap. 12) verglichen und Vor- und Nachteile werden diskutiert. Nach der Erläuterung der allgemeinen Mechanismen bei der homogenen Katalyse wird ein konkretes Beispiel, die industriell sehr bedeutsame Hydroformylierung vorgestellt, eine Umsetzung von Alkenen mit Synthesegas zu Aldehyden. Mechanismen, Katalysatoren und Verfahren der Hydroformylierung sowie die Bedeutung der Aldehyde werden erläutert. Tabellarisch werden weitere sehr wichtige homogenkatalytische Produktionsverfahren kurz vorgestellt.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen, Andreas J. Vorholt

Chemische Prozesse

Frontmatter

14. Fossile Rohstoffe und Basischemikalien

Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird die derzeitige Rohstoffbasis der chemischen Industrie, die fossilen Rohstoffe, wie Erdgas, Kohle und Erdöl vorgestellt. Erdöl stellt derzeit die größte Säule im Rohstoffmix der chemischen Industrie. Als entscheidende Prozesse zur weiteren Umsetzung werden in diesem Kapitel Schlüsselprozesse zur Nutzung des Erdöls, wie Cracker, Hydrocracker und Reformer vorgestellt. Ebenfalls wird das Steamcracking beschrieben, das in der chemischen Industrie zur Herstellung von Ethen, Propen und den Aromaten eine besonders bedeutende Stellung einnimmt.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen, Andreas J. Vorholt

15. Technische Chemie der Alkene und Aromaten

Zusammenfassung
Im Kapitel 15 werden Grundchemikalien der chemischen Industrie ausgehend von ihrem Ausgangssubstraten vorgestellt. Grundlage für diese Chemikalien sind die Alkene aus dem Steamcracker, wie Ethen, Propen und die Aromaten. Die unterschiedlichen Wege zu wichtigen Zwischenprodukten wie Ethanol, Ethylenoxid, 1-Alkenen, Propylenoxid und Styrol wurden beschrieben. Darüber hinaus werden wichtige Polymere und deren Herstellung, wie Polyethylen, Polypropylen und die Syntheseroute zu Polyamidendargestellt.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen, Andreas J. Vorholt

16. Organische Endprodukte

Zusammenfassung
Kunststoffe machen mengenmäßig die wichtigsten organischen Endprodukte der chemischen Industrie aus. In Kapitel 16 wird anfangs eine Übersicht der wichtigsten Polymere, ihrer molekularen Strukturen und der gängigen technischen Polymerisationsverfahren gegeben. Weiterhin wird der Ablauf der Polymerisation von Monomeren durch Ketten- und Stufenreaktionen bzw. deren Beeinflussung durch die einschlägigen Betriebsparameter und Zusatzstoffe beschrieben. Die verschiedenen Reaktionsführungen, beispielsweise die Suspensions- und die Emulsionspolymerisationen, werden vorgestellt. Die genannten Konzepte werden am konkreten Beispiel der Polystyrol-Synthese verdeutlicht und vertieft.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen, Andreas J. Vorholt

17. Organische Feinchemikalien

Zusammenfassung
Im Kapitel 17 werden chemische Produkte vorgestellt, die zwar nicht in großen Mengen hergestellt werden, aber sehr wertvoll sind. Zu Ihnen zählen Schmierstoffe, Klebstoffe, Bauchemikalien, Riech- und Aromastoffe, Futter- und Lebensmitteladditive, Pflanzenschutzmittel (Agrochemikalien) und Pharmaka. Die Klasse der Feinchemikalien umfasst viele tausend Produkte, die auf unterschiedlichen Syntheserouten hergestellt werden und entweder auf Erdölbasis oder auf nachwachsenden Rohstoffen basieren. Als Beispiele für diese Produkte werden die L-Dopa- und die Vitamin C-Synthese beschrieben.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen, Andreas J. Vorholt

18. Nachwachsende Rohstoffe

Zusammenfassung
Im Kapitel 18 werden nachwachsende Rohstoffe als Ausgangsstoffe für die chemische Industrie vorgestellt. Schon heute werden nachwachsende Rohstoffe in der chemischen Industrie genutzt. Dazu zählen Fette, Glycerin, Cellulose, Lignin, Chitosan, Zucker, Terpene usw. Diese Rohstoffe werden vorgestellt, sowie Verfügbarkeiten und Anwendungen aufgezeigt. Beispielsweise wird die Synthese von Seifen ausgehend von Fetten und Zuckern beschrieben.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen, Andreas J. Vorholt

19. Elektrochemische Verfahren

Zusammenfassung
Durch Einsatz elektrischer Energie lassen sich chemische Prozesse realisieren, die sonst nicht oder nur mit größerem Aufwand möglich wären, z. B. die elektrolytische Herstellung der Halogene oder Alkalimetalle. Als Grundlage der Diskussion dienen die Gemeinsamkeiten und Unterschiede von chemischen und elektrochemischen Reaktionen und der entsprechenden Reaktionstechnik. Bedeutung und Varianten der industriellen Chlor-Alkali-Elektrolyse von Kochsalz zu Chlor, Natronlauge und Wasserstoff, die Produktion verschiedener Metalle, bei der die Elektrochemie eine zentrale Rolle spielt, und Beispiele organischer Elektrosynthesen werden vorgestellt. Es folgt ein Ausblick auf Möglichkeiten der Elektrochemie bei der Nutzung elektrischer Energie aus regenerativen Quellen im Rahmen der Energiewende wie z. B. Speicherung, Wasserstoffwirtschaft und Elektromobiltät mit Batterien oder Brennstoffzellen.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen, Andreas J. Vorholt

20. Wertschöpfung in der chemischen Industrie

Zusammenfassung
Im Kapitel 20 werden die wirtschaftlichen Zusammenhänge zwischen der Produktion von chemischen Produkten und der Betriebswirtschaft vorgestellt. Zu diesem Zweck wird eingangs der zentrale Begriff der Wertschöpfung definiert und die Gewinn- und Verlustrechnung und Bilanzierung eines Unternehmens beschrieben. In einem nächsten Schritt werden die Zusammenhänge der Strategiefindung von Unternehmen vorgestellt, die auf die Wertschöpfung zielt. Abschließend wird der gestufte Entscheidungsprozess in der chemischen Industrie für neue Projekte vorgestellt. Als Werkzeuge werden hierfür die Kostenschätzungen für eine neue Anlage und für Herstellungskosten einer Chemikalie am Beispiel der Acrylsäure gezeigt.
Arno Behr, David W. Agar, Jakob Jörissen, Andreas J. Vorholt

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