Grundlagen der Technischen Chemie (SS 2011)

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1 Grundlagen der Technischen Chemie (SS 2011) J. Rarey, A. Brehm C.v.O.-Universität Oldenburg Oldenburg (Oldb), Deutschland Grundlagen der Technischen Chemie (SS 2011) Dozenten: Prof. Dr. Jürgen Gmehling SS 2011 Prof. Dr. Jürgen Rarey, Prof. Dr. Axel Brehm Kontakt: J. Rarey A. Brehm Materialien: Version 2010 Version 2011 Termine: Vorlesung Übung 5 PDF-Files mit allen Folien auf der Homepage der TC: Teaching - Student Service - Studiengang Bachelor Benutzername: BSc10 Kennwort: Grundlagen_TC werden im Laufe des Semesters dort bereitgestellt Donnerstag, in W (evtl. Raumänderung) Mittwoch, in W (evtl. Raumänderung) 1

2 Veranstaltungen der Technischen Chemie Bachelor Studiengang Grundlagen der Technischen Chemie Rarey, Brehm Chemische Reaktionstechnik Rößner Übung zu Grundlagen und Reaktionstechnik Rarey Grundpraktikum Technische Chemie Rößner, Brehm Master Studiengang Verfahrenstechnik Thermische Verfahrenstechnik Mechanische Verfahrenstechnik Werkstoffkunde und Umwelttechnik Prozessentwicklung Mischphasenthermodynamik Verfahrensentwicklung und Prozesssimulation Computeranwendung Messung thermophysikalischer Daten 3 Grundpraktikum Technische Chemie Dozenten: Anmeldung: Prof. Dr. Frank Rößner, Prof. Dr. Axel Brehm Prof. Dr. Axel Brehm (W , Tel. 3841, axel.brehm@uni-oldenburg.de) Materialien (Skript, Symbolverzeichnis): Homepage der TC - Teaching Lab Classes Benutzername: BSc10 Kennwort: Grundlagen_TC Inhalt: Eingangskolloquium (ca. 1 Stunde incl. Sicherheitsbelehrung) * 5 Versuche (incl. Kolloquium zum jeweiligen Versuch) Seminarvortrag (ca. 10 Minuten) ** Versuche: Stofftransport und Makrokinetik (Axel Brehm) Strömungszustände in Reaktoren -Verweilzeitverhalten (Jay Tamahrjah) Rektifikation (Axel Brehm) Wärmeübertragung (Jay Tamahrjah) Thermisches Verhalten von Reaktoren (Larisa Dykhnenko, Axel Brehm) * Die Kolloquien sind in Gruppen zu zwei (in Ausnahmefällen zu drei) Studenten/innen durchzuführen. ** Voraussichtlich in der Orientierungswoche zum WS 11/12 ( Okt. 2011). 4 2

3 Vorstellung, Arbeitsgebiete Jürgen Rarey Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe von Prof. Gmehling Chemische Thermodynamik, Stoffdaten, Prozeßsimulation, Prozessentwicklung, Computeranwendung, mathematische Methoden, experimentelle Bestimmung von Stoffdaten Axel Brehm Untersuchungen zum Stoff- und Wärmetransport im Dreiphasensystem Gas/ Flüssigkeit/ Katalysator Fixierung von Zeolithen an formgebenden Substraten sowie Austesten derartiger Komposit-Katalysatoren in dafür entwickelten Laborreaktoren 6 57 Jahre Diplom-Chemiker Promotion im Chemieingenierwesen (Dr.-Ing.) 3

4 Introduce Myself 1. Mitarbeiter der Arbeitsgruppe Technische Chemie (Prof. Dr. Jürgen Gmehling) Universität Oldenburg, Oldenburg, Deutschland 2. Mitbegründer und Geschäftsführer/Mitbesitzer der DDBST GmbH, Oldenburg 3. Veranstaltung, Organisation und Lehrtätigkeit in verschiedenen Kursen weltweit 4. Ehrenprofessur an der School of Chemical Engineering, University of Kwazulu-Natal, South Africa (4 Mitarbeiter) uebrsht3.cdr, Entwicklung zuverlässiger Messtechniken: Messung von Phasengleichgewichten, Exzessgrößen, Reinstoffdaten, kinetischen Daten,... in einem weiten Temperatur- und Druckbereich Dortmunder Datenbank: E VLE, h,... P, h, c,... i s v P DECHEMA Thermodynamik P Computergestützte Synthese, Auslegung und Optimierung chemischer Prozesse T Forschungsaktivitäten Versuche in Pilotanlagen: z.b. Reaktive Rektifikation Essigsäure Methanol } } } Entwicklung thermodynamischer Modelle: UNIFAC, Mod. UNIFAC (Do), PSRK, VTPR, LIFAC,... COSMO-RS(Ol) S f = f x i i P i = y i P i L i V x i i L = y i V i (z.b. VLE) Untersuchung alternativer LM: Reaktion Methylacetat Extraktive Rektifikation Methanol-Stripper Sc-CO 2, Ionische Flüssigkeiten, perfluorierte Verbindungen Software-Entwicklung: Auswahl selektiver Zusatzstoffe, Grenzdestillationslinien, empfohlene Modell-Parameter, Umwelt- und Arbeitsschutz, CAMD,... Pro II Wasser 9 4

5 uebrsht3.cdr, Entwicklung zuverlässiger Messtechniken: Messung von Phasengleichgewichten, Exzessgrößen, Reinstoffdaten, kinetischen Daten,... in einem weiten Temperatur- und Druckbereich Dortmunder Datenbank: E VLE, h,... P, h, c,... i s v P DECHEMA Thermodynamik P Computergestützte Synthese, Auslegung und Optimierung chemischer Prozesse T Versuche in Pilotanlagen: z.b. Reaktive Rektifikation Essigsäure Methanol } } } Entwicklung thermodynamischer Modelle: UNIFAC, Mod. UNIFAC (Do), PSRK, VTPR, LIFAC,... COSMO-RS(Ol) S f = f x i i P i = y i P i L i V x i i L = y i V i (z.b. VLE) Untersuchung alternativer LM: Prozesssynthese Biokraftstoffe CO 2 -freie Kraftwerke Reaktion Methylacetat Extraktive Rektifikation Methanol-Stripper Sc-CO, Ionische Flüssigkeiten, perfluorierte Verbindungen Software-Entwicklung: Auswahl selektiver Zusatzstoffe, Grenzdestillationslinien, empfohlene Modell-Parameter, Umwelt- und Arbeitsschutz, CAMD,... Wasser 10 Ausgründungen LTP GmbH 2 Forschungsaktivitäten Löslichkeit von Wirkstoffen (Lösungskristallisation) DDBST GmbH

6 12 Hauptaufgaben der Technischen Chemie Klassische Definition: Produktion verkäuflicher Produkte im technischen Maßstab a) Übertragung von Verfahren vom Labor- in den technischen Maßstab b) Betrieb und Optimierung bestehender Verfahren Die sich stark verändernden und erweiternden Arbeitsgebiete des Chemieingenieurwesens wirken sich auch auf die Technische Chemie aus. 13 6

7 Maßstabsübertragung (Scale-Up)? The bench scale results were so good that we by-passed the pilot-plant aus : E.H. Stitt, Chem. Eng. J. 90 (2002) Maßstabsübertragung (Scale-Up)? 15 7

8 Maßstabsveränderung Welche Probleme erwarten Sie bei dieser Maßstabsvergrößerung? Warum? CHAMPAGNERKELCH 77 DIVA von Schott Zwiesel 16 Schema einer typischen Produktionsanlage in der Chemischen Industrie Anlsched.cdr Rückführung von A und B Inerten- Ausschleusung Edukte A + B Welcher Umsatz sinnvoll? Vorbereitung Reaktion Aufarbeitung Produkte C + D A + B C + D Welche Selektivität wird erreicht? evtl. auftretende Nebenprodukte E + F 17 8

9 Unterschied zwischen Labor- und technischen Verfahren I Probleme des größeren Maßstabs 1) Reaktionswärme 2) Umweltprobleme 3) Sicherheit a) Abluft b) Abwasser c) Abfall II Wirtschaftlichkeit (d.h. Ziel: Veredlung) Gewinn = Erlös - Herstellkosten > 0 1) Rohstoffkosten (Standortfrage) 2) Energie (Standortfrage) 3) Betriebsweise 4) Kapazität 5) Stoffverbund 6) Apparate 7) Personalkosten 8) alternative Herstellverfahren 9)... Erlös = verkaufte Produktmenge * Preis / Mengeneinheit 18 Unterschied zwischen Labor- und technischen Verfahren I Probleme des größeren Maßstabs II Wirtschaftlichkeit (d.h. Ziel: Veredlung) 1) Reaktionswärme Unterschiede Gewinn = Erlös - Herstellkosten > 0 2) Umweltprobleme Art der Durchführung ( 1) disk. Rohstoffkosten kontinuierlich (Standortfrage) ) a) Abluft 2) Energie (Standortfrage) b) Abwasser Unterschiedliche Edukte 3) Betriebsweise c) Abfall Unterschiedliche Verfahren 4) Kapazität 5) Stoffverbund 3) Sicherheit Unterschiedliche Apparate 6) Apparate 7) Personalkosten Problem Reaktionswärme 8)... Problem Sicherheit Erlös Problem = verkaufte Umweltbelastung Produktmenge * Preis / Mengeneinheit 19 9

10 Laborverfahren - Technische Verfahren Laborverfahren Technisches Verfahren Cl 2 C 2 H 2 Aceton 4HClMnO2 Cl2 MnCl2 2H2O CaC 2H O C H Ca OH Ca OOCCH Aceton CaCO Elektrolyse von NaCl bzw. HCl Heute Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen, wie Methan, Leichtbenzin Koppelprodukt bei der Herstellung von Phenol nach dem Hock- Verfahren ( Cumol-Verfahren) Terephthalsäure p Xylol KMnO 4 p Xylol O2 Terephthalsäure Terephthalsäure 20 Wirtschaftlichkeit: z.b. Übergang Kohlechemie * (C 2 H 2 ) Petrochemie (C 2 H 4,...) Vinylacetat (VOAc): C 2 H 2 + HOAc VOAc C 2 H 4 + ½ O 2 + HOAc VOAc + H 2 O Vinylchlorid (VC): C 2 H 2 + HCl VC C 2 H 4 + Cl 2 C 2 H 4 Cl 2 C 2 H HCl + ½ O 2 C 2 H 4 Cl 2 + H 2 O C 2 H 4 Cl 2 VC + HCl Acetaldehyd: C 2 H 2 + H 2 O CH 3 CHO C 2 H 4 + ½ O 2 CH 3 CHO * Kohle war bis 1940 in den USA und bis Beginn der fünfziger Jahre in Westeuropa der wichtigste Grundstoff der chemischen Industrie

11 Technische Phenolsynthese Jedoch reines N 2 O benötigt O 2 führt zu unerwünschten Oxidationsreaktionen NO, NOX Katalysatorgifte 22 Kombination von Reaktion und Trennung, z.b. Reaktive Rektifikation,

12 Technische Methylacetatsynthese HOAc MeOH H 2 SO 4 Reaktor (zweistufig) 5 H 2 O 1 2 Extraktion Höhere Ether (Zusatzstoff) MeOAc HOAc (Zusatzstoff) 3 Extraktive Rektifikation MeOH H 2 O Heteroazeotrope Rektifikation HOAc 8 Schwersieder HOAc MeOH 1 25 v = 2 MeOAc Rektifikation 1m Sulzer BX Extraktive Rektifikation 1m Sulzer BX Rektifikation & Reaktion 2 m Katapak-S Rektifikation 1m Sulzer BX H 2 O Klassisches Verfahren Reaktive Rektifikation 24 Herstellung Azofarbstoff 25 12