Inhaltsverzeichnis. Teil I Einführung in die Technische Chemie 1 Arno Behr, Ulfert Onken, Regina Palkovits

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1 O:/Wiley/Baerns/3d/ftoc.3d from :20:09 V Vorwort zur 2. Auflage Vorwort zur 1. Auflage Die Autoren XVII XIII XV Enzyklopädien und Nachschlagewerke zur Technischen Chemie XIX Symbolverzeichnis XXI Teil I Einführung in die Technische Chemie 1 Arno Behr, Ulfert Onken, Regina Palkovits 1 Chemische Prozesse und chemische Industrie Besonderheiten chemischer Prozesse Chemie und Umwelt Chemiewirtschaft Einteilung der Chemieprodukte Chemiefirmen werden Großunternehmen ein historischer Rückblick Strukturwandel in der Chemieindustrie Struktur von Chemieunternehmen Bedeutung von Forschung und Entwicklung für die chemische Industrie Wissenschaft und chemische Technik Betriebsinterne Forschung Entwicklungstendenzen und Zukunftsaussichten der chemischen Industrie 10 Literatur 11 2 Charakterisierung chemischer Produktionsverfahren Laborverfahren und technische Verfahren Chlorierung von Benzol Oxychlorierung von Benzol Herstellung von Azofarbstoffen Zusammenfassung Gliederung chemischer Produktionsverfahren Darstellung chemischer Verfahren und Anlagen durch Fließschemata Grundfließschema Verfahrensfließschema Rohrleitungs- und Instrumenten (RI)-Fließschema Mess- und Regelschema Spezielle Schemata 22 Literatur 22 3 Katalyse als Schlüsseltechnologie der chemischen Industrie Was ist Katalyse? Arten von Katalysatoren Heterogene Katalyse Grundprinzipien der heterogenen Katalyse Eigenschaften von Feststoffkatalysatoren Homogene Katalyse Grundprinzipien der homogenen Katalyse Technische Anwendungen homogener Katalysatoren Biokatalyse Grundprinzipien der Biokatalyse Biotransformationen Biotransformationen zur Herstellung von Wirkstoffen und Feinchemikalien Besondere Anwendungsformen in homogener und heterogener Katalyse Vergleich von homogener und heterogener Katalyse Heterogenisierung homogener Katalysatoren Enantioselektive Katalyse Elektrokatalyse Photokatalyse 36 Literatur 36 Teil II Chemische Reaktionstechnik 37 Manfred Baerns, Kai-Olaf Hinrichsen, Hanns Hofmann, Albert Renken 4 Grundlagen der Chemischen Reaktionstechnik Grundbegriffe und Grundphänomene Klassifizierung chemischer Reaktionen Grundbegriffe und Definitionen Stöchiometrie chemischer Reaktionen Zusammensetzung des Reaktionsgemisches Schlüsselkomponenten und Schlüsselreaktionen Reaktionsfortschritt Zusammenhang zwischen Stöchiometrie und Reaktionskinetik Chemische Thermodynamik 48 Jürgen Gmehling Reaktionsenthalpie Gleichgewichtsumsatz Simultangleichgewichte Relaxationsmethode Ermittlung der Gleichgewichtszusammensetzung durch Minimierung der Gibbs schen Enthalpie Stoff- und Wärmetransportvorgänge Molekulare Transportvorgänge Diffusion Wärmeleitung Diffusion in porösen Medien 59

2 O:/Wiley/Baerns/3d/ftoc.3d from :20:10 VI Molekulare Porendiffusion Knudsen-Diffusion in Poren Diffusiver Stofftransport im Übergangsgebiet von molekularer zu Knudsen-Diffusion Poiseuille-Strömung in Poren Sonderfälle der Diffusion in porösen Feststoffen Wärmeleitfähigkeit in porösen Feststoffen Stoff- und Wärmetransport an Phasengrenzflächen Wärmeübergang Stoffübergang 69 Literatur 71 5 Kinetik chemischer Reaktionen Mikrokinetik chemischer Reaktionen Einführung Kinetik homogener Gas- und Flüssigkeitsreaktionen Kinetik heterogen katalysierter Reaktionen Katalytische Oberflächenreaktionen Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von den Gasphasenkonzentrationen Katalytische Oberflächenreaktion als geschwindigkeitsbestimmender Schritt Komplexe Vorgänge bei einer einfachen Reaktion Kinetik der Desaktivierung heterogener Katalysatoren Kinetik von Gas-Feststoff-Reaktionen Kinetik homogen und durch gelöste Enzyme katalysierter Reaktionen Polymerisationskinetik Kinetik radikalischer Polymerisationen Kinetik der ionischen Polymerisation Polykondensation, Polyaddition Ermittlung der Kinetik chemischer Reaktionen Zielsetzungen kinetischer Untersuchungen Betriebsweise und Bauart von Laborreaktoren für kinetische Untersuchungen Allgemeine apparative Gesichtpunkte Spezielle Laborreaktoren Planung und Auswertung kinetischer Messungen zur Ermittlung von Geschwindigkeitsgleichungen Klassische Methoden Statistisch begründete Methoden der Versuchsplanung und -auswertung Versuchsplanung Auswertesoftware für kinetische Daten Makrokinetik chemischer Reaktionen Zusammenwirken von chemischer Reaktion und Transportvorgängen Heterogen katalysierte Gasreaktionen Äußere Transportvorgänge Innere Transportvorgänge und chemische Reaktion Einfluss der Transportvorgänge auf die Selektivität Kriterien zur Abschätzung des Einflusses von Stoff- und Wärmetransportvorgängen auf den Reaktionsablauf Fluid-Fluid-Reaktionen Einfluss des Stoffübergangs auf die effektive Reaktionsgeschwindigkeit Einfluss des Stoffübergangs bei Fluid-Fluid-Reaktionen auf die Selektivität Gas-Feststoff-Reaktionen Nichtporöse Feststoffe Poröse Feststoffe 157 Literatur Chemische Reaktoren und deren reaktionstechnische Modellierung Allgemeine Stoff- und Energiebilanzen Absatzweise betriebene Rührkesselreaktoren Stoffbilanz Wärmebilanz Adiabate Reaktionsführung Polytrope Reaktionsführung Halbkontinuierlich betriebene Rührkesselreaktoren Kontinuierlich betriebener idealer Rührkesselreaktor Stoffbilanz des kontinuierlich betriebenen Rührkesselreaktors Volumenbeständige Reaktionen Nichtvolumenbeständige Reaktionen Wärmebilanz des kontinuierlich betriebenen Rührkesselreaktors Ideale Strömungsrohrreaktoren Stoffbilanz Wärmebilanz Adiabate Reaktionsführung Polytrope Reaktionsführung Kombination idealer Reaktoren Kaskade kontinuierlich betriebener Rührkesselreaktoren Strömungsrohrreaktor mit Rückführung Reale homogene und quasihomogene Reaktoren Verweilzeitverteilung in chemischen Reaktoren Experimentelle Bestimmung der Verweilzeitverteilung Sprungfunktion Pulsfunktion Beliebige Eingangsfunktion 186

3 O:/Wiley/Baerns/3d/ftoc.3d from :20:10 VII Verweilzeitverteilung in idealen Reaktoren Idealer Strömungsrohrreaktor Idealer kontinuierlich betriebener Rührkesselreaktor Reaktorkaskade Laminar durchströmtes Rohr Verweilzeitmodelle realer Reaktoren Dispersionsmodell Zellenmodell Mehrparametrige Modelle Verweilzeitverhalten realer Reaktoren Rührkesselreaktoren Strömungsrohrreaktoren Einfluss der Verweilzeitverteilung und der Vermischung auf die Leistung realer Reaktoren Reaktionen 1. Ordnung Reaktionen mit nichtlinearer Kinetik Vermischung in realen Reaktoren Segregation Zeitpunkt der Vermischung Einfluss der Segregation auf die Reaktorleistung und Produktverteilung Reale Mehrphasenreaktoren Fluid-Feststoff-Systeme Festbettreaktoren Wirbelschichtreaktoren Fluid-Fluid-Systeme (vgl. Abschnitt 5.3.2) Blasensäulen-Reaktor Rührkessel für Fluid-Fluid-Reaktionen Bodenkolonnen Füllkörperkolonnen Strahlwäscher Gasförmig-flüssig-fest-Systeme Mehrphasen-Festbettreaktoren Dreiphasenblasensäule Dreiphasen-Wirbelschichtreaktoren Mehrphasen-Rührkesselreaktoren Strukturierte Mehrphasenreaktoren 216 Literatur Auswahl und Auslegung chemischer Reaktoren Reaktorauswahl und reaktionstechnische Optimierung Einfache Reaktionen (Umsatzproblem) Absatzweise betriebener Reaktor (RK) Kontinuierlich betriebene Reaktoren Temperaturführung Isotherme Reaktionsführung Adiabate Reaktionsführung Adiabater Abschnittsreaktor Komplexe Reaktionen (Ausbeuteproblem) Parallelreaktionen Folgereaktionen Konkurrierende Folgereaktionen Polymerisationsreaktionen Temperaturführung Thermische Prozesssicherheit Theorie der Wärmeexplosion Parametrische Sensitivität Halbkontinuierlich betriebene Rührkesselreaktoren Kontinuierlich betriebene Rührkesselreaktoren Strömungsrohrreaktoren Mikrostrukturierte Reaktoren Homogene Reaktionen Mikrofluidik Verweilzeitverteilung Mikrovermischung Wärmeübergang Feststoffkatalysierte Fluidreaktionen Innerer Stofftransport Äußerer Stofftransport Temperaturkontrolle Fluid-Fluid-Reaktionen 252 Literatur 253 Teil III Grundoperationen 255 Jürgen Gmehling, Axel Brehm 8 Thermodynamische Grundlagen für die Berechnung von Phasengleichgewichten Phasengleichgewichtsbeziehung Dampf-Flüssig-Gleichgewicht Anwendung von Zustandsgleichungen Virialgleichung Chemische Theorie Anwendung von Aktivitätskoeffizienten- Modellen Aktivitätskoeffizienten-Modelle Vorausberechnung von Phasengleichgewichten Konzentrationsabhängigkeit des Trennfaktors binärer Systeme Bedingung für das Auftreten azeotroper Punkte Rückstandslinien, Grenzdestillationslinien und Destillationsfelder Flüssig-Flüssig-Gleichgewicht Gaslöslichkeit Fest-Flüssig-Gleichgewicht Phasengleichgewicht für die überkritische Extraktion Adsorptionsgleichgewichte Osmotischer Druck 287 Literatur 289

4 O:/Wiley/Baerns/3d/ftoc.3d from :20:11 VIII 9 Auslegung thermischer Trennverfahren Konzept der idealen Trennstufe Realisierung mehrerer Trennstufen Kontinuierliche Rektifikation Rektifikationskolonne Ermittlung der Zahl theoretischer Trennstufen Binäre Systeme Mehrkomponentensysteme Konzept der Übertragungseinheit Trennung azeotroper und eng siedender Systeme Rektifikative Trennung azeotroper und engsiedender Systeme ohne Zusatzstoff Trennung durch Rektifikation im Vakuum oder bei erhöhtem Druck Trennung binärer heteroazeotroper Systeme Zweidruckverfahren Rektifikation mit Hilfsstoffen Extraktive Rektifikation Azeotrope Rektifikation Wasserdampfdestillation Reaktive Rektifikation Zahl der Kolonnen und mögliche Trennsequenzen Energieeinsparung Diskontinuierliche Rektifikation Einfache diskontinuierliche Destillation Mehrstufige diskontinuierliche Rektifikation Auslegung von Rektifikationskolonnen Bodenkolonnen Packungskolonnen Wärmetauscher Verdampfer Kondensatoren Absorption Lösemittelauswahl McCabe-Thiele-Verfahren Kremser-Gleichung Chemische Absorption Absorberbauarten Flüssig-Flüssig-Extraktion Auswahl des Extraktionsmittels McCabe-Thiele-Verfahren Kremser-Gleichung Anwendung von Dreiecksdiagrammen Extraktoren Mixer-Settler Extraktionskolonnen Zentrifugalextraktoren Fest-Flüssig-Extraktion Extraktion mit überkritischen Fluiden Kristallisation Kristallisationsprozess Kristallisatoren Adsorption Adsorptionsmittel Adsorptions- und Desorptionsschritt Adsorberbauarten Entfernung der Restfeuchten, Entwässern und Trocknen Trocknungsgüter und Trocknungsarten Kriterien zur Auslegung von Trocknern Apparate zum technischen Trocknen Konvektionstrockner Kontakttrockner Membrantrennverfahren Trennprinzip und Arbeitsweise Arten von Membrantrennverfahren Membranmodule 375 Literatur Mechanische Grundoperationen Strömungslehre Fluiddynamik in Reaktoren, Kolonnen und Rohrleitungen Strömungsarten, Reynoldssche Ähnlichkeit Strömungsgesetze Strömung idealer Fluide Auftreten von Reibungskräften (Strömen von Flüssigkeiten) Strömungsbedingter Druckverlust Ungestörte Strömung Durchströmen eines geraden Rohrs Gestörte Strömung Auftreten örtlicher Druckverluste Erzeugen von Förderströmen Pumpen, Komprimieren, Evakuieren Pumpencharakteristika und Pumpenwirkungsgrade Pumpen Apparate zum Fördern von Flüssigkeiten Arbeitsweise von Hubkolbenpumpen Arbeitsweise von Kreiselpumpen Arbeitsweise von Umlaufkolbenpumpen Verdichten von Gasen Druck-Volumen-Diagramm, ein und mehrstufiges Verdichten Bauarten von Kompressoren (Verdichtern) Einsatzbereiche von Kompressoren Vakuumerzeugung Mischen fluider Phasen Mischen in flüssiger Phase Aufbau von Rührbehältern; Rührorgane und ihre Förderwirkung Ermittlung des Leistungsbedarfs für das Homogenisieren durch Rühren Begasen von Flüssigkeiten, Emulgieren und Suspendieren 399

5 O:/Wiley/Baerns/3d/ftoc.3d from :20:12 IX Flüssigkeitsverteilung in der Gasphase Kriterien der Flüssigkeitsverteilung Einflussgrößen und Auswahlkriterien beim Zerstäuben Mechanische Trennverfahren Partikelabtrennung aus Flüssigkeiten Sedimentieren und Zentrifugieren Filtern Partikelabscheidung aus Gasströmen Ausnutzung der Schwer- und der Zentrifugalkraft Filterelemente, Elektrofilter, Nassentstaubung Trennen weiterer disperser Systeme Emulsionstrennen Schaumbrechen und Schaumverhindern Verarbeiten von Feststoffen Zerkleinern von Feststoffen Grundlagen des Zerkleinerns Energiebedarf beim Zerkleinern Zerkleinerungsapparate Klassieren und Sortieren Auftrennen des Mahlguts nach Kornklassen (Klassieren) Auftrennen des Mahlguts unter Ausnutzung von Teilcheneigenschaften (Sortieren) Formgebung 426 Literatur 428 Teil IV Verfahrensentwicklung 429 Arno Behr, Ulfert Onken, Regina Palkovits 11 Gesichtspunkte der Verfahrensauswahl Das Konzept der Nachhaltigkeit Stoffliche Gesichtspunkte (Rohstoffauswahl und Syntheseroute) Nachhaltigkeit am Beispiel des Phenols sieben technische Synthesewege Alkalischmelze von Natriumbenzolsulfonat Wasserdampfhydrolyse von Chlorbenzol (Raschig Hooker-Verfahren) Alkalische Hydrolyse von Chlorbenzol Cumolverfahren (Hock-Verfahren) Toluoloxidation Dehydrierung von Cyclohexanol/Cyclohexanon Benzolhydroxylierung mit Distickstoffmonoxid Phenol aus nachwachsenden Rohstoffen Vergleich der Phenolverfahren Zusammenfassung Energieaufwand Energiearten und Energienutzung Wasserstoff Wasserstofferzeugung aus fossilen Rohstoffen Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse Vergleich: Wasserstoff aus fossilen Rohstoffen oder durch Wasserelektrolyse Wasserstoff als Energieträger und Energiespeicher Direktverstromung von Wasserstoff Sicherheit Exotherme Reaktionen Ausfall der Kühlung am Beispiel der Blockpolymerisation von Styrol Explosion eines Ethylenoxidbehälters als Beispiel einer Wärmeexplosion Exotherme Sekundärreaktionen Brennbare und explosive Stoffe und Stoffgemische Explosionen Explosionsbereich Organische Peroxide Maßnahmen zur Verhinderung von Explosionen Toxische Stoffe Zusammenfassung und Folgerungen Umweltschutz im Sinne der Nachhaltigkeit Luftverunreinigungen Abwasserbelastungen Alternativen zum Chlorhydrinverfahrens zur Herstellung von Ethylenoxid und Propylenoxid Abwasserreinigung Abfälle Zusammenfassung und Folgerungen Betriebsweise Beispiel: Hydrierung von Doppelbindungen Hydrierung im Suspensionsreaktor Hydrierung im Rieselbettreaktor Unterschiede zwischen diskontinuierlichen und kontinuierlichen Verfahren Entscheidungskriterien 460 Literatur Verfahrensgrundlagen Ausgangssituation und Ablauf Verfahrensinformationen Übersicht Sicherheitstechnische Kenndaten Toxikologische Daten Stoff- und Energiebilanzen Stoff- und Energiebilanzen Werkzeug in Verfahrensentwicklung und Anlagenprojektierung Stoffbilanzen Energiebilanzen 474

6 O:/Wiley/Baerns/3d/ftoc.3d from :20:13 X 12.4 Versuchsanlagen Notwendigkeit und Aufgaben Typen von Versuchsanlagen Planung einer Versuchsanlage Auswertung und Optimierung Versuchsplanung und Auswertung Prozess-Simulation und Prozessoptimierung 477 Literatur Wirtschaftlichkeit von Verfahren und Produktionsanlagen Erlöse, Kosten und Gewinn Herstellkosten Vorkalkulation und Nachkalkulation Ermittlung des Kapitalbedarfs Ermittlung der Herstellkosten Kapazitätsauslastung und Wirtschaftlichkeit Erlöse und Gewinn Fixe Kosten und veränderliche Kosten Gewinn bzw. Verlust in Abhängigkeit von der Kapazitätsauslastung Wirtschaftlichkeit von Projekten Rentabilität als Maß für die Wirtschaftlichkeit Kapitalrückflusszeit Andere Methoden der Rentabilitätsbewertung Entscheidung zwischen Alternativen 492 Literatur Planung und Bau von Anlagen Projektablauf Projektorganisation Genehmigungsverfahren für Chemieanlagen Anlagenplanung Projektabwicklung Ablaufplanung und überwachung Bau und Montage 505 Literatur 507 Teil V Chemische Prozesse 509 Arno Behr, Ulfert Onken 15 Organische Rohstoffe Erdöl Zusammensetzung und Klassifizierung Bildung und Vorkommen Förderung und Transport Erdölraffinerien Thermische Konversionsverfahren Katalytische Konversionsverfahren Erdgas Zusammensetzung und Klassifizierung Förderung und Transport Weiterverarbeitung Kohle Zusammensetzung und Klassifizierung Vorkommen Förderung Verarbeitung Verkokung Kohlevergasung Kohlehydrierung Nachwachsende Rohstoffe Bedeutung der nachwachsenden Rohstoffe Fette und Öle Kohlenhydrate Cellulose Stärke Zucker Pflanzliche Sekrete und Extrakte 548 Literatur Organische Grundchemikalien Alkane Herstellung Methan Höhere n- und iso-alkane Cycloalkane Verwendung Methan Höhere n-alkane Cycloalkane Alkene Herstellung Verwendung Aromaten Herstellung Verwendung Acetylen Herstellung Acetylen aus Kohle Acetylen aus Kohlenwasserstoffen Verwendung Synthesegas Herstellung Steamreforming Partielle Oxidation Verwendung Kohlenmonoxid 577 Literatur Organische Zwischenprodukte Sauerstoffhaltige Verbindungen Alkohole Methanol Ethanol Propanole 588

7 O:/Wiley/Baerns/3d/ftoc.3d from :20:13 XI Butanole Längerkettige Alkohole Cyclische Alkohole Ungesättigte Alkohole Mehrwertige Alkohole Phenole Ether Aliphatische Ether Cyclische Ether Epoxide Ethylenoxid Propylenoxid Aldehyde Formaldehyd (Methanal) Acetaldehyd (Ethanal) Butyraldehyde (Butanale) Ungesättigte Aldehyde Ketone Aceton und Methylisobutylketon Methylethylketon Carbonsäuren Ameisensäure Essigsäure Ungesättigte Carbonsäuren Aliphatische Dicarbonsäuren Aromatische Carbonsäuren Stickstoffhaltige Verbindungen Amine Niedere Amine Fettamine Diamine Cyclische Amine Aromatische Nitroverbindungen und Amine Lactame Nitrile Acrylnitril Adipodinitril Isocyanate Aliphatische Isocyanate Aromatische Isocyanate Halogenhaltige Verbindungen Chlormethane Chlorderivate höherer Aliphaten Chloraromaten Fluorverbindungen 616 Literatur Anorganische Grund- und Massenprodukte Anorganische Schwefelverbindungen Schwefel und Sulfide Schwefeldioxid Schwefeltrioxid und Schwefelsäure Anorganische Stickstoffverbindungen Ammoniak Salpetersäure Harnstoff und Melamin Chlor und Alkalien Chlor und Alkalilauge durch Alkalichloridelektrolyse Natronlauge und Soda Phosphorverbindungen Elementarer Phosphor Phosphorsäure und Phosphate Technische Gase Sauerstoff und Stickstoff Edelgase Kohlendioxid Düngemittel Bedeutung der Düngemittel Stickstoffdüngemittel Phosphordüngemittel Kalidüngemittel Mehrnährstoffdünger Wirtschaftliche Betrachtung Metalle Stähle Nichteisenmetalle und ihre Legierungen Korrosion und Korrosionsschutz 637 Literatur Chemische Endprodukte Polymere Aufbau und Synthese von Polymeren Stufenreaktionen Kettenreaktionen Polymerisationstechnik Massenkunststoffe Fasern Klebstoffe Hochtemperaturfeste Kunststoffe Elektrisch leitfähige Polymere Flüssigkristalline Polymere Biologisch abbaubare Polymere Tenside und Waschmittel Aufbau und Eigenschaften Anionische Tenside Kationische Tenside Nichtionische Tenside Amphotere Tenside Vergleich der Tensidklassen Anwendungsgebiete Farbstoffe Übersicht Azofarbstoffe Carbonylfarbstoffe Methinfarbstoffe Phthalocyanine Färbevorgänge Pharmaka 672

8 O:/Wiley/Baerns/3d/ftoc.3d from :20:14 XII Allgemeines Arten pharmazeutischer Produkte Wirkstoffherstellung durch chemische Synthese Wirkstoffherstellung mit Biokatalysatoren Wirkstoffherstellung durch Fermentationsverfahren Sonstige Verfahren zur Wirkstoffherstellung Pflanzenschutzmittel Bedeutung des Pflanzenschutzes Insektizide Herbizide Fungizide Marktdaten und Entwicklungstrends Metallorganische Verbindungen Silicone Struktur und Eigenschaften Herstellung der Ausgangsverbindungen Herstellung der Silicone Technische Siliconerzeugnisse Zeolithe 692 Literatur 693 Anhang 1 Größen zur Charakterisierung von Reaktionen, Verfahren und Anlagen 697 Anhang 2 Tabellen zu Reinstoffdaten 699 Anhang 3 Graphische Symbole für Fließschemata nach EN ISO Stichwortverzeichnis 709