Inhaltsverzeichnis. und -optimierung aus Sicht der chemischen Industrie Welche thermodynamischen Eigenschaften braucht die

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1 Inhaltsverzeichnis VII Inhaltsverzeichnis 1 Einfçhrung 1 Ralf Goedecke 2 Verfahrensentwicklung Vorgehensweise und Methodik 6 Ralf Goedecke und Willi Hofen Ziele, Zeit- und Kostenaspekte Miniplant-Technologie, Scale-up-Faktoren Methoden und Werkzeuge zur Unterstçtzung der Verfahrensentwicklung Verfahrensablauf zur Entwicklung eines chemischen Prozesses Praxisbeispiel einer Prozessentwicklung Ausblick Recherche thermophysikalischer Stoffdaten 28 Richard Sass und Helmut Wendeler Bedeutung von thermophysikalischen Stoffdaten zur Prozessauslegung und -optimierung aus Sicht der chemischen Industrie Welche thermodynamischen Eigenschaften braucht die chemische Industrie? Quellen von thermophysikalischen Daten Beispiele fçr Datenbanken mit thermophysikalischen Eigenschaften Datenbank-Recherche am Beispiel von DETHERM Messung von thermophysikalischen Daten Neuere Eigenschaften der Stoffklassen Ionische Flçssigkeiten und Hochverzweigte Polymere Prozesssynthese in der Trenntechnik 38 Gerhard Schembecker Einleitung Aufgabe der Prozesssynthese 38

2 VIII Inhaltsverzeichnis Methoden der Prozesssynthese in der Industrie Evolutionåre Methode Hierarchisch-heuristische Methoden Mathematische Methoden Synthese von Trennverfahren Grundlagen Vorgehen bei der heuristisch-numerischen Synthese von Trennprozessen Entwurfsmethodik fçr Trennprozesse Prozesssynthese in der industriellen Praxis Management von Prozesssyntheseprojekten Informationsbeschaffung und Berçcksichtigung von Unsicherheiten Vergleichskosten Anlagensicherheit, Umweltschutz und Werkstoffe Prozesssynthese und Debottlenecking Beispiel fçr die Anwendung der Methodik zur Synthese von Trennprozessen Wesentliche Prozessdaten Input-Output-Ebene Fliessbildentwicklung auf der Aktionen- und Fließbildebene Anmerkungen zum Beispiel Ausblick Methoden und Werkzeuge der Simulationstechnik 86 Gçnter Wozny und Helmut Wendeler Einteilung der Simulationsverfahrenstechnik Verfahrenstechnische Prozesse Simulation in der Prozessanalyse und Prozesssynthese Modellierungssystematik Physikalisch-chemische Modelle (First-Principle-Modelle) Flussgetriebene Simulation Druckgetriebene Simulation Rolle der Dokumentation in der Modellentwicklung Prozesssimulation Fließschema-Simulation Grundlagen Fließschemasimulation Strukturen Prozesse der Fluidverfahrenstechnik in der Fließschemasimulation Prozessoptimierung in der Fluidverfahrenstechnik Stationåre Optimierung Dynamische Optimierung unter Einschluss von Unsicherheiten Bedeutung der Stoffdaten in der Prozesssimulation CFD-Simulation in der Fluidverfahrenstechnik 115

3 Inhaltsverzeichnis IX Anwendungen Beispiele (1) CFD fçr Mehrphasenstræmung CFD-Simulation fçr Packungskolonnen Neuere Simulationsergebnisse Anwendungen Beispiele (2) Anfahren von Kolonnen Batchkolonnen Nichtreaktive Destillation Reaktivdestillation Druckentlastung von Kolonnen Automatisierung von Kolonnen Operatorschulung Reaktivrektifikation, Reaktivabsorption Dreiphasenrektifikation Energetisch und stofflich gekoppelte Kolonnen Herstellung von hochreinem MTBE aus technisch reinem MTBE Industrielle Anwendungsbeispiele der Prozesssimulation in der Fluidverfahrenstechnik Miniplant-Technik 166 Henrik Hahn und Wolfgang Albert Hintergrund und Einordnung Merkmale und Anwendungsgrenzen Ausfçhrungsdetails Automatisierungstechnik Praxisbeispiele Neue technologische Ansåtze und Methoden Verfahrenstechnische Grundlagen zu Stoffaustausch und Wårmeçbertragung Stoffaustausch 187 Andreas Pfennig Einleitung Gleichgewicht Phasengrenzen Stofftransport Diffusion Stoffçbergang Stoffdurchgang Instabilitåten an Phasengrenzen Stufenmodell Berçcksichtigung von zwei unabhångigen Bilanzgræßen Stufenkonstruktion mit einer Bilanzgræße Short-Cut-Ansåtze mit analytischen Beziehungen fçr das Gleichgewicht Stufenmodell bei einer stationåren Phase 224

4 X Inhaltsverzeichnis HTU-NTU-Modell Detaillierte Modelle Wårmeçbertragung 238 Holger Martin Begriffe, Grundgesetze Wårme, Arbeit, Energiebilanz Kinetik der Wårmeçbertragung Græßenordnung von Wårmestræmen Græßenordnung der wichtigsten Stoffeigenschaften Berechnung von Wårmeçbergangskoeffizienten Definition des Wårmeçbergangskoeffizienten Stationåre Wårmeleitung in ruhenden Medien Instationåre Wårmeleitung in ruhenden Medien Stationår durchstræmte Kanåle Ûberstræmte Einzelkærper Durchstræmte Haufwerke Freie Auftriebsstræmung Kondensation und Verdampfung reiner Stoffe und Gemische Zur Auslegung von Wårmeçbertragern Begriffe Wårmedurchgangskoeffizienten Temperaturverlauf, mittlerer Temperaturunterschied, Stromfçhrung Kennzahlen fçr Wårmeçbertrager Wirtschaftlich optimale Auslegung Mæglichkeiten zur Verbesserung der Wårmeçbertragung Vergræßerung der Ûbertragungsflåche Vergræßerung der Wårmeçbergangskoeffizienten Hinweise Adsorption 303 Dieter Bathen und Jçrgen Ciprian 4.1 Grundlagen Definitionen Physikalische Wechselwirkungsmechanismen Bindungskråfte Mechanismen Selektivitåt der Adsorption Technische Adsorbentien Klassifizierung der Adsorbentien Kohlenstoffhaltige Adsorbentien Aktivkohlen und -kokse Kohlenstoffmolekularsiebe Versottung und Adsorberbrand 309

5 Inhaltsverzeichnis XI Oxidische Adsorbentien Silicagele Zeolithe Aluminate und Tonerden Polymere Adsorbentien Einsatzgebiete der Adsorbentien Thermodynamik der Adsorption Grundlagen Darstellung des Adsorptionsgleichgewichts Temperatur- und Druckeinfluss Kapillarkondensation Einkomponentenadsorption Klassifizierung von Isothermen Mathematische Beschreibung von Adsorptionsisothermen Messverfahren fçr Einkomponenten-Adsorptionsgleichgewichte Mehrkomponentenadsorption Phånomene der Mehrkomponentenadsorption Messverfahren fçr Mehrkomponenten-Adsorptionsgleichgewichte Adsorptionswårme Adsorptionskinetik und Adsorptionsdynamik Adsorptionskinetik Beschreibung der Phånomene Heterogene Modelle LDF-Ansatz (Homogenes Modell) Kinetik von Mehrkomponentenprozessen Adsorptionsdynamik Durchbruchskurve Einfluss der Thermodynamik Einfluss der Kinetik Mehrkomponentenadsorption Desorption und Regenerierung Desorption Druckwechseldesorption (PSA) Temperaturwechseldesorption (TSA) Konzentrationswechseldesorption (CSA) Reaktivierung und Deponierung Reaktivierung Deponierung Apparate und Verfahren Gasphasenadsorption Apparate Verfahren Auslegung Kosten 367

6 XII Inhaltsverzeichnis Flçssigphasenadsorption Apparate Verfahren Auslegung Kosten Computergestçtzte Simulation von Adsorptionsprozessen Chromatographie 381 Jochen Strube, Michael Schulte und Wolfgang Arlt 5.1 Nomenklatur chromatographischer Verfahren Verfahrensvarianten Stand der Technik Großtechnische Chromatographieprozesse Chromatographie in Pharma- und Feinchemieanwendungen Chromatographie in biotechnologischen Produktionen Weitere Entwicklungen und Forschungsansåtze Grundlagen Thermodynamik der Adsorption Begriffe Adsorptionsisothermen Adsorptionsexzess Adsorptionswårmen Phasenauswahl und Methodenentwicklung Adsorbentien Mobile Phase Charakteristische Parameter der Chromatographie Retentionszeit Porositåt Trennfaktor Såulentotvolumina Volumenstromraten Effektiver Dispersionskoeffizient Stoffaustausch Van Deemter Gleichung Modellierungsansåtze des Stofftransportes Modellierung von Extrasåuleneffekten Modellierung der Chromatographiesåule Trennsequenzentwicklung Verfahrensentwicklung Methodenentwicklung Modellparameterbestimmung Einleitende Versuche zur Auslegung pråparativer Chromatographieprozesse Zu messende Parameter 431

7 Inhaltsverzeichnis XIII Prozesskonzepte Generelle Prozesseigenschaften Prozesskonzepte Integrierte Prozessentwicklung Auslegung und Optimierung chromatographischer Verfahren Grundsåtzliche Ûberlegungen und Methoden Optimierungsansåtze Auslegung von SMB-Prozessen Beispiel zur Auslegung und Optimierung von Batchund SMB-Chromatographie Beispiel zur Optimierung von Batch-Elutionschromatographie- Prozessen Auslegungssoftware Auslegung von SMB-Prozessen am Beispiel EMD Apparate- und Anlagentechnik Anlagenbeschreibung Såulen und Peripherie Reinigung, Læsemittelrecycling und Produktkonfektionierung Fehlersuche Auswirkung von Fehlern in chromatographischen Såulen Spezifische Trennkosten der Prozesschromatographie Ausblick Membrantechnik 495 Hartmut Brçschke und Thomas Melin 6.1 Einfçhrung Gleichgewichtstrennung Membrantrennung Trennung durch Einstellung eines Gleichgewichts Trennung aufgrund unterschiedlicher Transportkinetiken Definition einer Membran Technische Membranen Membranen Aufbau Polymermembranen Herstellung von poræsen Filmen Phaseninversionsmembranen Integral-asymmetrisch dichte Membranen Kompositmembranen Anorganische Membranen Herstellung anorganischer Membranen Asymmetrische anorganische Membranen Module Plattenmodul Spiralwickelmodul Kissenmodul 519

8 XIV Inhaltsverzeichnis Module mit tubularen Membranen Getauchte Module Stofftransport Triebkråfte und Transportwiderstånde Modellierung des Stofftransports durch Membranen Porenmodell Læsungs-Diffusions-Modell Stofftransport durch mikroporæse Membranen Polarisation Verfahren und Anlagen Mikrofiltration, Ultrafiltration Membranen und Module Prozessfçhrung Verfahren und Anwendungen Umkehrosmose Membranen Osmotischer Druck Scaling und Fouling Module und Anlagen Verfahren und Anwendungen Nanofiltration Membranen, Donnan-Effekt Verfahren und Anwendungen Elektrodialyse Grundlagen Membranen Module Verfahren und Anwendung Gastrennung Membranen Module Verfahren und Anwendung Pervaporation, Dampfpermeation Membranen Module Auslegung Verfahren und Anwendungen Kosten Investitionskosten Betriebskosten Spezifische Kosten 577

9 Inhaltsverzeichnis XV 7 Verdampfung und Kondensation 581 Stephan Scholl und Michael Rinner 7.1 Einfçhrung und Einordnung Grundlagen Wårmeçbertragung in Verdampfern und Kondensatoren Wårmeçbergang und Fluiddynamik in Rieselfilmen Wårmeçbergang an Platten oder Rohrwånden ohne Phasenånderung Grundlagen zur Verdampfung Verdampfung ruhender Flçssigkeiten Verdampfung in erzwungener Stræmung Zustandsånderung eines verdampfenden Gemisches Grundlagen zur Kondensation Film- und Tropfenkondensation Filmkondensation von Reinstoffen Filmkondensation von binåren Gemischen Lokale Grenzfålle: Gleichgewichts- und Brutalkondensation Offene und geschlossene Kondensation, Teil- und Totalkondensation Einfluss von Inertgasen Verdampfung und Verdampfer Voruntersuchungen zum Gleichgewichts- und Verdampfungsverhalten Verdampferbauformen Aufkocher Naturumlaufverdampfer Zwangsumlaufverdampfer Zwangsumlaufentspannungsverdampfer Fallfilmverdampfer Dçnnschichtverdampfer Kurzwegverdampfer Kletterfilmverdampfer Rotationskegelverdampfer Mehrphasenwendelrohr Bereitstellung des Wårmeangebotes Verdampfung thermisch und/oder mechanisch sensibler Produkte Regelung von Verdampfern Maßstabçbertragung bei Verdampfern Hinweise zur Apparatewahl bei Verdampfern Typische Verfahrensaufgaben fçr Verdampfer Kondensation und Kondensatoren Ûbersicht Bauformen und Einsatzzweck 666

10 XVI Inhaltsverzeichnis Rohrbçndelkondensatoren Rohrbçndelapparate mit Kondensation im Mantelraum Rohrbçndelapparate mit Kondensation in den Rohren Plattenkondensatoren Apparate mit geprågten Platten Thermoblechkondensatoren Ûberschlågige Dimensionierung eines Kondensators Kosten Gegençberstellung von Kondensatorbauformen Scale-down und Scale-up bei der Kondensation Kondensationstechnik im Labor Machbarkeitsversuche und Scale-up Mehrstufige Kondensation Software zur thermischen Auslegung von Verdampfern und Kondensatoren Rektifikation 689 Ralf Dçssel und Johann Stichlmair 8.1 Einfçhrung Phasengleichgewicht Siedepunkt, Taupunkt Gleichgewicht binårer Gemische Gleichgewicht ternårer Gemische Destillation, Rektifikation Einstufige Destillation Kontinuierliche Destillation Batch-Destillation Batch-Destillation ternårer Gemische Mehrstufige Destillation, Rektifikation Kontinuierliche Rektifikation Rektifikation binårer Gemische Rektifikation ternårer Gemische Rektifikation von Vielstoffgemischen Batch-Rektifikation Batch-Rektifikation binårer Gemische Batch-Rektifikation ternårer Gemische Reaktivrektifikation Rektifikationsprozesse Prozesse zur Zerlegung idealer Dreistoffgemische Basisprozesse Seitenkolonnen Thermische Kopplung Prozesse zur Zerlegung azeotroper Gemische Prozesse zur Zerlegung von Heteroazeotropen Druckwechselrektifikation 739

11 Inhaltsverzeichnis XVII Zerlegung azeotroper Gemische unter Verwendung eines Entrainers Azeotroprektifikation Extraktivrektifikation Prozesse der Reaktivrektifikation Gestaltung und Dimensionierung von Rektifikationskolonnen Kolonneneinbauten Bodenkolonnen Packungskolonnen Auslegungskriterien Gasbelastung Flçssigkeitsbelastung Stoffçbergang und Trennleistung Druckverlust und Flçssigkeitsinhalt (Hold-up) Fouling Fehlverteilung Schaumbildung Mehrphasige Systeme Auslegungssoftware Scale-Up Kostenrechnung Investitionskosten Energiekosten Regelung 781 Verfasst von Herrn Dr. M. Groebel, Degussa AG Stellgræßen von Destillationskolonnen Basisregelungen Produktregelung Temperatur als Ersatzregelgræße Wahl der Stellgræße Prozessfçhrung ohne ausgeprågtes Temperaturprofil Troubleshooting Absorption 799 Karl Hælemann und Andrzej GÕrak 9.1 Einfçhrung Stoffdatenbasis Gaslæslichkeit, Henry sches Gesetz Elektrolytthermodynamik Physikalische Stoffdaten Chemische Gleichgewichte Berechnungsmethoden fçr Absorber Gleichgewichtsmodell Kinetische Stofftransportansåtze HTU-NTU-Konzept 816

12 XVIII Inhaltsverzeichnis Reaktionskinetik und Enhancement-Faktor Hydrodynamik und Stofftransport Rigorose Simulationsmodelle Auswahl und Auslegung von Absorbern Kontinuierliche Gas- und Flçssigphase Fçllkærper- und Packungskolonnen Fallfilmabsorber Dispergierung des Flçssigstroms Austauschflåche im Sprçhwåscher Stoffçbergangskoeffizient Sprçhabsorber Strahlwåscher Venturiwåscher Rotationswåscher Dispergierung der Gasphase Bodenkolonnen Blasensåulen Direkte Gaskçhlung Simulation eines Direktgaskçhlers Rieselfilmapparate Sprçhapparate Anwendungsbeispiele Physikalische Absorption Absorption von Halogenwasserstoffen NO x -Absorption Kokereigasreinigung CO 2 -Absorption mit wåssrigen Aminlæsungen Vergleich und Kosten verschiedener Absorber Absorption von SO 2 in alkalischer Waschlæsung Produktion konzentrierter HCl aus einem Abgasstrom Flçssig-Flçssig-Extraktion 907 Andreas Pfennig, Theo Pilhofer und Jçrgen Schræter 10.1 Einleitung Erarbeitung der Aufgabenstellung Apparate fçr die Flçssig-Flçssig-Extraktion Kolonnen Kolonnen ohne Energiezufuhr Kolonnen mit Energiezufuhr Mixer-Settler Extraktionsmaschinen Empfehlungen fçr die Anwendung der verschiedenen Extraktorbauarten Einschrånkung der Bauarten fçr typische Extraktionsaufgaben 937

13 Inhaltsverzeichnis XIX 10.5 Versuche und Modellierung von Extraktoren im Technikumsmaßstab Technikumsversuche als Basis fçr den Scale-up Einzeltropfenbasierte Methode Labormesszellen Læsung der Tropfenpopulationsbilanzen Auswahl des Apparats Wahl des optimalen Betriebspunkts Auslegung technischer Extraktionsapparate Auslegung von Mixer-Settlern Auslegung von gerçhrten Extraktionskolonnen Auslegung von pulsierten Siebbodenkolonnen Auslegung von pulsierten Kolonnen mit geordneten Packungen Auslegung der Dispersphasenverteiler Probleme bei Auslegung und Betrieb von Extraktionsapparaten Úkonomische Aspekte der Kolonnenauslegung Trennverfahren mit çberkritischen Fluiden Grundlagen, Thermodynamik, Trenntechnik 993 Gerd Brunner Einfçhrung Was ist ein çberkritisches Fluid? Die Dichte eines reinen Stoffs in der Nåhe des kritischen Punkts Trennverfahren mit çberkritischen Fluiden Ûbersicht zu den Trennverfahren Stand der Entwicklung Extraktion aus Feststoffen Verfahrensauslegung Der Einfluss der Betriebsbedingungen Modellieren der Extraktion Laboranlagen zur Feststoffextraktion Andere Verfahrensweisen zur Extraktion (insbesondere mehrstufige Extraktion, Gegenstromextraktion und kontinuierliche Extraktion mit Feststoffen) Weitere Beispiele zur Feststoffextraktion Mehrstufen-Gegenstromextraktion Auslegungsmethode Phasengleichgewichte als Grundlage der Mehrstufen-Gegenstromextraktion Trenntechnische Analyse bezçglich der Anzahl der theoretischen Trennstufen Mehrkomponenten-Prozesssimulation Hæhe einer Trennstufe (HETP, HTU) Bestimmung des Kolonnendurchmessers Filmdicke, Stræmungsformen und Flutpunkte 1026

14 XX Inhaltsverzeichnis Laboranlage fçr die Gegenstromtrennung Beispiele zur Mehrstufengegenstromtrennung Chromatographische Trennungen mit çberkritischen Fluiden (SFC) einschließlich der Adsorption und Desorption Allgemeine Ûberlegungen (Brunner 1994) Chromatographie mit çberkritischen Fluiden (SFC) im pråparativen und Produktionsmaßstab Allgemeine Beschreibung einer SFC-Apparatur Phasengleichgewichte flçssiger und fester Stoffe mit çberkritischen Fluiden Wozu werden Phasengleichgewichte benætigt? Læslichkeit in çberkritischen Fluiden Phasengleichgewicht in binåren Systemen Phasengleichgewichte in Systemen mit drei Komponenten Gleichgewichte mit festen Substraten Læsungsmittelkreislauf Charakteristische Daten fçr Læsungsmittelkreislåufe Gaskreislauf im Kompressorverfahren (Brunner 1994) Læsungsmittelkreislauf mit Pumpe (Brunner 1994) Regeneration mit einem Membrantrennprozess Produktabscheidung (Regenerierung eines beladenen çberkritischen Fluids) Methoden zur Produktabscheidung Abscheidung von flçchtigen Substanzen Regenerierung des Læsungsmittels durch Adsorption Regenerierung des çberkritischen Fluids durch Membrantrennung Ûberkritische Extraktion aus Sicht der Industrie 1074 Stephan Pilz, Eduard Lack, Helmut Seidlitz, Volkmar Steinhagen und Kurt Stork Einfçhrung Stand der Technik Verfahrensfçhrung einer SFE-Anlage Verfahrensauslegung Produkt- und anlagenspezifische Daten Versuchsanlagen und Versuchsdurchfçhrungen Projektierung einer kommerziellen SFE-Anlage Betrieb von SFE-Anlagen Betreibersicht Kosten Ausblick Entwicklungstendenzen Schmelzkristallisation 1131 Joachim Ulrich und Stefan Nordhoff 12.1 Einleitung Grundlagen Definitionen Læsung/Schmelze 1132

15 Inhaltsverzeichnis XXI Suspensions-/Schichtkristallisation Prozessfçhrung statisch/dynamisch Phasengleichgewichte Experimentelle Bestimmung Berechnung Kinetik Bedeutung der Kinetik bei der Schmelzkristallisation Reinheitskriterien Nachreinigungsschritte Schwitzen Waschen Einfache Laboruntersuchungen Flaschentest (bottle test) Kçhlfingerexperiment Verfahrensauswahl Anlagentyp Schichtkristallisationsprozesse Suspensionskristallisationsprozesse Vergleich von Schicht- und Suspensionskristallisation Auslegung/Scale-up-Regeln Auslegung von Schichtkristallisationsanlagen Energiebedarf fçr Schichtkristallisationsprozesse Vorgehensweise bei der Auslegung Scale-up Investitions- und Betriebskosten Hybridverfahren Ausgewåhlte Anwendungsbeispiele Wasserstoffperoxid Acrylsåure Fette Abwasser Konzepte fçr die Zukunft Bremband Granupure Waschkolonnen Eutectic Freezing Verschiebung des Eutektikums 1189 Sachverzeichnis 1197

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