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Verfahrensentwicklung: Von der ersten Idee zur chemischen Prodiktionsanlage

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$220.99

Verfahrensentwicklung: Von der ersten Idee zur chemischen Prodiktionsanlage

G. Herbert Vogel

ISBN: 978-3-527-66074-2 March 2012 444 Pages

Description

Von der Ideenfindung zur chemischen Produktionsanlage ist es ein weiter Weg. Kaum etwas ist so komplex wie die Herstellung chemischer Produkte.

Die verschiedensten Aspekte - auch solche, die in der Ausbildung von Naturwissenschaftlern vielleicht nur am Rande oder gar nicht berücksichtigt werden wie etwa Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen, die Patent- und Lizenzsituation, Anforderungen an den Standort, Entsorgungsprobleme - werden dargestellt.

Das Buch eignet sich für den Berufsanfänger ebenso wie für den Praktiker im Betrieb. Es ist eine gemeinsame Grundlage für Ingenieure und Chemiker und sollte als Nachschlagewerk auf keinem Schreibtisch fehlen.

Der Autor beschränkt sich nicht auf Verweise auf weiterführende Literatur: viele Fakten werden wiederholt und in Zusammenhang zum Thema gebracht, Formeln kurz abgeleitet, so dass sich der Gang in die Bibliothek und der Griff zu weiteren Büchern häufig erübrigt. Es hilft Mitarbeitern in Forschung und Entwicklung ebenso wie Betriebsleitern, Fehler zu vermeiden und vermittelt die nötige Sicherheit.

1 Einfuhrung 1

1.1 Das Ziel industrieller Forschung und Entwicklung 3

1.2 Die Produktionsstruktur der chemischen Industrie 4

1.3 Die Aufgabe der Verfahrensentwicklung 12

1.4 Ideenfindung 12

2 Die chemische Produktionsanlage und ihre Bestandteile 15

2.1 Katalysator 18

2.1.1 Katalysatorperformance 22

2.1.1.1 Selektivitat 22

2.1.1.2 Aktivitat 22

2.1.1.3 Lebensdauer 24

2.1.1.4 Mechanische Festigkeit 27

2.1.1.5 Herstellkosten 27

2.1.2 Charakterisierung von Katalysatoren 30

2.1.2.1 Chemische Zusammensetzung 30

2.1.2.2 Art des Tragermaterials 31

2.1.2.3 Promotorenzusatze 31

2.1.2.4 Phasenzusammensetzung 32

2.1.2.5 Partikelgroße 32

2.1.2.6 Hohlraumstruktur 33

2.1.2.7 Oberflachenstruktur 33

2.1.2.8 Nebenprodukte im Feed 33

2.1.3 Kinetik der Heterogenkatalyse 34

2.1.3.1 Filmdiffusion 35

2.1.3.2 Porendiffusion 37

2.1.3.3 Sorption 41

2.1.3.4 Oberflachenreaktionen 45

2.1.3.5 Porendiffusion und chemische Reaktion 47

2.1.3.6 Filmdiffusion und chemische Reaktion 52

2.2 Reaktor 53

2.2.1 Grundlagen der chemischen Reaktionstechnik 54

2.2.1.1 Ideale Reaktoren 58

2.2.1.2 Reaktoren mit realem Verhalten 62

2.2.1.3 Nicht-isotherme Reaktoren 70

2.2.1.4 Ausfuhrungsformen von Reaktoren 76

2.3 Produktaufarbeitung (thermische- und mechanische Trennverfahren) 83

2.3.1 Warmeubertragung, Verdampfung, Kondensation 83

2.3.1.1 Grundlagen 83

2.3.1.2 Dimensionierung 89

2.3.2 Destillation, Rektifikation 98

2.3.2.1 Grundlagen der Gas/Flussig-Gleichgewichte 98

2.3.2.2 Einstufige Verdampfung 103

2.3.2.3 Mehrstufige Verdampfung (Rektifikation) 106

2.3.2.4 Entwurf von Destillationsanlagen 112

2.3.3 Absorption und Desorption, Strippung, Tragerdampfdestillation 140

2.3.3.1 Grundlagen 140

2.3.3.2 Dimensionierung 141

2.3.3.3 Desorption 146

2.3.3.4 Tragerdampfdestillation 147

2.3.4 Extraktion 148

2.3.4.1 Grundlagen 149

2.3.4.2 Dimensionierung 150

2.3.4.3 Apparatives 158

2.3.5 Kristallisation 160

2.3.5.1 Grundlagen 160

2.3.5.2 Losungskristallisation 163

2.3.5.3 Schmelzkristallisation 165

2.3.5.4 Dimensionierung 168

2.3.6 Adsorption, Chemisorption 170

2.3.7 Ionentausch 171

2.3.8 Trocknung 172

2.3.9 Sonderverfahren fur fluide Phasen 174

2.3.10 Mechanische Verfahren 174

2.3.10.1 Abtrennung von Feststoffen aus Flussigkeiten 175

2.4 Rohrleitungssystem, Pumpen, Kompressoren 178

2.4.1 Grundlagen der Hydrodynamik 178

2.4.2 Einphasenstromung in Rohrleitungen 180

2.4.3 Flussigkeitspumpen 185

2.4.4 Verdichter 190

2.5 Energieversorgung 192

2.5.1 Dampf- und Kondensatsystem 192

2.5.2 Elektrische Energie 194

2.5.3 Kuhlwasser 194

2.5.4 Kalteenergie 195

2.5.5 Druckluft 195

2.6 Produktversorgung und Lagerung 196

2.7 Ruckstandsentsorgung 198

2.7.1 Abgassammelsystem und Fackel 198

2.7.2 Verbrennungsanlagen fur gasformige und flussige Ruckstande 198

2.7.3 Spezielle Verfahren zur Abluftreinigung 200

2.7.4 Abwasserreinigung und -entsorgung 203

2.7.4.1 Klaranlage 203

2.7.4.2 Spezielle Verfahren der Abwasserreinigung 206

2.7.5 Slopsystem 207

2.8 Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik 209

2.8.1 Messtechnik 209

2.8.1.1 Temperaturmessung 209

2.8.1.2 Druckmessung 212

2.8.1.3 Fullstandsmessung 212

2.8.1.4 Durchflussmessung 213

2.8.1.5 Analysen 217

2.8.2 Regelungstechnik 218

2.8.3 Steuerungstechnik 225

2.9 Anlagensicherheit 228

2.10 Werkstoffauswahl 232

2.10.1 Wichtige Werkstoffe und ihre Eigenschaften 234

2.10.1.1 Mechanische Eigenschaften und thermische Bestandigkeit 236

2.10.1.2 Korrosionsverhalten 238

2.10.2 Metallische Werkstoffe 242

2.10.3 Nichtmetallische Werkstoffe 243

3 Verfahrensunterlagen 245

3.1 Chemische Daten 247

3.1.1 Reaktionswarme 247

3.1.2 Thermodynamisches Gleichgewicht 248

3.1.3 Kinetik 253

3.1.4 Selektivitat und Umsatz als Funktion der Prozessparameter 265

3.2 Massenbilanz 269

3.3 Stoffdaten 271

3.3.1 Reinstoffdaten 272

3.3.2 Mischungsdaten 273

3.4 Aufarbeitung 275

3.5 Patent- und Lizenzsituation 275

3.6 Entwicklungskosten 279

3.7 Standort 280

3.8 Marktsituation 280

3.9 Rohstoffe 282

3.10 Anlagenkapazitat 285

3.11 Entsorgungssituation 286

3.12 Endprodukt 287

4 Ablauf einer Verfahrensentwicklung 289

4.1 Die Verfahrensentwicklung als iterativer Prozess 291

4.2 Die Aufstellung des ersten Verfahrenskonzeptes 294

4.2.1 Handwerkszeuge 297

4.2.1.1 Datenbanken 297

4.2.1.2 Simulationsprogramme 298

4.2.1.3 Expertensysteme 302

4.3 Die Prufung der Einzelschritte 304

4.4 Mikroplant, Schnittstelle zwischen Labor und Technikum 306

4.5 Die Prufung des Gesamtverfahrens im Technikum 307

4.5.1 Miniplant-Technik 307

4.5.1.1 Einleitung 307

4.5.1.2 Aufbau 308

4.5.1.3 Grenzen der Miniaturisierung 310

4.5.1.4 Grenzen der Miniplanttechnik 312

4.5.2 Pilotanlage 312

5 Planung, Errichtung und Betriebnahme einer Chemieanlage 315

5.1 Allgemeiner Ablauf einer Projektabwicklung 317

5.2 Wichtige Teilaspekte bei der Projektabwicklung 324

5.2.1 Genehmigung 324

5.2.2 Sicherheitsstudien 327

5.2.3 Storfallverordnung 331

5.2.4 R&I-Fließbilder 332

5.2.5 Funktionsplane 333

5.2.6 Technische Blatter 334

5.2.7 Modellbau 334

5.2.8 Erstellung weiterer wichtiger Unterlagen 336

5.3 Commissioning 336

5.4 Inbetriebnahme 337

6 Verfahrensbewertung 339

6.1 Erstellung von Studien 341

6.1.1 Kurzfassung 342

6.1.2 Grundfließbild 342

6.1.3 Verfahrensbeschreibung und Verfahrensfließbild 342

6.1.4 Entsorgungsfließbild 344

6.1.5 Investitionsschatzung 345

6.1.5.1 Einleitung 345

6.1.5.2 Investitionen (ISBL) 346

6.1.5.3 Investitionen (OSBL) 349

6.1.5.4 Infrastrukturmaßnahmen 349

6.1.6 Berechnung der Herstellkosten 349

6.1.6.1 Einsatzstoffkosten 350

6.1.6.2 Energiekosten 351

6.1.6.3 Entsorgungskosten 357

6.1.6.4 Personalkosten 358

6.1.6.5 Werkstattkosten 359

6.1.6.6 Sonstige Kosten 359

6.1.6.7 Kapitalabhangige Kosten (Abschreibung) 359

6.1.7 Technologiebewertung 360

6.1.8 Maßnahmen zur Erhohung der technischen Zuverlassigkeit 362

6.1.9 Experimenteller Ausarbeitungsstand 368

6.2 Rentabilitat 368

6.2.1 Statische Rentabilitat 368

6.2.2 Dynamische Rentabilitat 370

6.3 Wirtschaftliches Risiko 371

6.3.1 Sensitivitatsanalyse 372

6.3.2 Amortisationszeit 372

6.3.3 Cash-Flow 373

7 Trends in der Verfahrensentwicklung 375

8 Anhang 381

8.1 Mathematische Formeln 383

8.2 Naturkonstanten 392

8.3 Elementzusammenstellung mit relativen Atommassen und Bindungsradien sowie Schmelz- und Siedepunkten 392

8.4 Umrechnung verschiedener Maßeinheiten in SI-Einheiten 395

8.5 Wichtige Zusammenhange zwischen abgeleiteten Einheiten und Basiseinheiten 400

8.6 Umrechnung von Konzentrationsangaben binarer Mischungen der gelosten Komponente A im Losungsmittel B 400

8.7 Van-der-Waals-Konstanten a und b und kritische Werte fur einige Gase in alphabetischer Reihenfolge 401

8.8 Warmekapazitaten einiger Stoffe und ihre Temperaturabhangigkeit 402

8.9 Thermodynamische Daten ausgewahlter organischer Verbindungen 403

8.10 Großenordnung der Reaktionsenthalpie ΔRH ausgewahlter technischer Reaktionen 404

8.11 Antoine-Parameter ausgewahlter organischer Verbindungen 407

8.12 Eigenschaften von Wasser 409

8.12.1 Formeln fur die Berechnung der physikalisch-chemischen Eigenschaften von flussigem Wasser zwischen 0 und 150 °C 409

8.12.2 Stoffwerte von Wasser 412

8.12.3 Dichte ρ / kg m-3 von Wasser bei verschiedenen Temperaturen und Drucken 414

8.12.4 Spezifische Warmekapazitat cP/kJ kg-1 K-1 von Wasser bei verschiedenen Temperaturen und Drucken 415

8.12.5 Dynamische Viskositat ƞ/10-6 kg m-1 s-1 von Wasser bei verschiedenen Temperaturen und Drucken 416

8.12.6 Selbstdiffusionskoeffizient D/m2 s-1 von Wasser bei verschiedenen Temperaturen und Drucken 417

8.12.7 Warmeausdehnungskoeffizient β/10-3 K von Wasser bei verschiedenen Temperaturen und Drucken 418

8.12.8 Warmeleitfahigkeit λ/10-3 W m-1 K-1 von Wasser bei verschiedenen Temperaturen und Drucken 419

8.12.9 Negativer dekadischer Logarithmus des Ionenproduktes von Wasser pKW/mol2 kg-2 [Marshall 1981] von Wasser bei verschiedenen Temperaturen und Drucken 420

8.12.10 Relative statische Dielektrizitatskonstante Ɛr von Wasser als Funktion von Druck und Temperatur 420

8.13 Eigenschaften von trockener Luft (Molmasse: M = 28,966 g mol-1) 421

8.13.1 Realgasfaktoren r = pV/RT von trockener Luft bei verschiedenen Temperaturen und Drucken 422

8.13.2 Spezifische Warmekapazitat cp in kJ kg-1 K-1 von trockener Luft bei verschiedenen Temperaturen und Drucken 422

8.13.3 Dynamische Viskositat ƞ /10-3 mPa s von trockener Luft bei verschiedenen Temperaturen und Drucken 423

8.13.4 Warmeleitfahigkeit λ /W m-1 K-1 von trockener Luft bei verschiedenen Temperaturen und Drucken 423

8.14 Dimensionslose Kennzahlen 424

8.15 Wichtige gesetzliche Regelungen beim Umgang mit Stoffen 426

8.16 Gefahren- und Sicherheitshinweise 426

8.17 Die 25 großten Unternehmen der Welt im Jahr 2000 430

8.18 Die 25 großten Unternehmen in Deutschland im Jahr 2000 431

8.19 Oberflachenuntersuchungsmethoden 432

9 Literatur 435

Register 475