Verfahrensentwicklung. G. Herbert Vogel Copyright 2002 Wiley-VCH Verlag GmbH ISBN: G. Herbert Vogel Verfahrensentwicklung

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3 Verfahrensentwicklung. G. Herbert Vogel Copyright 2002 Wiley-VCH Verlag GmbH ISBN: G. Herbert Vogel Verfahrensentwicklung

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5 G. Herbert Vogel Verfahrensentwicklung Von der ersten Idee zur chemischen Produktionsanlage Unter Mitarbeit von Dr.-Ing. Gerd Kaibel

6 Prof. Dr. G. Herbert Vogel TU Darmstadt Ernst Berl Institut für Technische und Makromolekulare Chemie Petersenstraße Darmstadt Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autor und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler keine Haftung. Die Deutsche Bibliothek CIP-Einheitsaufnahme Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist erhältlich bei Der Deutschen Bibliothek ª Wiley-VCH Verlag GmbH Weinheim 2002 Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form durch Fotokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprachen übertragen oder übersetzt werden. printed in the Federal Republic of Germany gedruckt auf säurefreiem Papier Satz Mitterweger & Partner Kommunikationsgesellschaft mbh, Plankstadt Druck Strauss Offsetdruck GmbH, Mörlenbach Bindung Grossbuchbinderei J. Schäffer GmbH & Co. KG, Grünstadt ISBN

7 Meinen Kindern Birke, Karl, Anke und Till

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9 VII Vorwort Die Idee des Buches war es, dem Akademiker nach seiner Ausbildung den Übergang von der Universität in die chemische Industrie zu erleichtern. Allen Diplomanden und Doktoranden der Natur-, Ingenieur-, aber auch Wirtschaftswissenschaften, die kurz vor dem Wechsel in die chemische Industrie stehen, soll dieses Buch das Rüstzeug in die Hand geben, das ihnen einen problemlosen Start ins Berufsleben ermöglicht und sie dem erfahrenen Industriechemiker und -ingenieur von Anfang an als kompetente Gesprächspartner gegenüberstehen lässt. Dieses Buch richtet sich aber auch sowohl an langjährige Mitarbeiter aus der Industrie, die ein umfassendes aber knappes Nachschlagewerk suchen, wenn sie Ratschläge zur Problemlösung brauchen, als auch an Studenten der Technischen Chemie, die ihr Wissen zur Prüfungsvorbereitung auffrischen wollen. In den Kapiteln 3 bis 6 wird die Entwicklung und Bewertung von Produktionsverfahren sowie die Abwicklung von Projekten aus der Sicht des Chemikers geschildert. Die unterschiedlichsten Aspekte, die berücksichtigt werden müssen, bevor und während eine Chemieanlage geplant, gebaut und in Betrieb genommen wird, werden behandelt: chemische, ingenieur- und materialwissenschaftliche, juristische, betriebswirtschaftliche, sicherheitstechnische und andere. Das nötige Grundwissen vermittelt Kapitel 2 mit dem Titel Die chemische Produktionsanlage und ihre Bestandteile. Es behandelt die wichtigsten Teilgebiete der Technischen Chemie wie Katalyse, Chemische Reaktionstechnik, Trennverfahren, Hydrodynamik, Stoff- und Energielogistik, Mess- und Regeltechnik, Anlagensicherheit, Werkstoffauswahl. So sorgt es als kurzes Lehrbuch der Chemischen Technologie, welches in das Buch integriert ist, auch dafür, dass der Leser nicht weitere Bücher zu Rate ziehen muss, sollte ihm an manchen Stellen das Fachwissen nicht mehr gegenwärtig sein. Ein ausführlicher Anhang (mathematische Formeln, Umrechnungen, thermodynamische Daten, Stoffdaten, gesetzliche Regelungen u. a.) unterstützt ihn dabei. Das vorliegende Buch spiegelt die industrielle Erfahrung wider, die ich in den Jahren von 1982 bis 1993 bei der BASF AG, Ludwigshafen bei Entwicklung, Planung, Bau und Inbetriebnahme petrochemischer Produktionsanlagen gesammelt habe. Daher ist die Auswahl der Themen und die Vorgehensweise natürlich subjektiv. Meinen Lehrmeistern auf diesem Gebiet, Herrn Dr. Gerd Dümbgen und Herrn Dr. Fritz Thiessen gebührt an dieser Stelle mein besonderer Dank.

10 VIII Vorwort Ohne die aktive Hilfe von Herrn Dr.-Ing. Gerd Kaibel (BASF Aktiengesellschaft, Ludwigshafen) wäre dieses Buch nicht realisierbar gewesen. Er steuerte seine große industrielle Erfahrung bei, und hatte die Bearbeitung des Kapitels 2.3 über thermische und mechanische Trennverfahren übernommen. Herrn Prof. Dr. Wilfried J. Petzny (ehemals EC Erdölchemie GmbH, Köln) danke ich für die Durcharbeitung des Manuskriptes und seine konstruktive Kritik sowie Kommentare, die ich gerne übernommen habe. Schließlich bin ich Herrn Dieter Böttiger (TU Darmstadt) für die Erstellung vieler Abbildungen sowie meiner ältesten Tochter Birke Vogel (BASF AG, Ludwigshafen) für die Einführung in die neue Rechtschreibung und das Korrekturlesen zu Dank verpflichtet. Für die in diesem Buch enthaltenen Fehler und Mängel bin ich alleine verantwortlich. Darmstadt und Ludwigshafen, im Februar 2002 G. Herbert Vogel

11 IX Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Das Ziel industrieller Forschung und Entwicklung Die Produktionsstruktur der chemischen Industrie Die Aufgabe der Verfahrensentwicklung Ideenfindung 12 2 Die chemische Produktionsanlage und ihre Bestandteile Katalysator Katalysatorperformance Selektivität Aktivität Lebensdauer Mechanische Festigkeit Herstellkosten Charakterisierung von Katalysatoren Chemische Zusammensetzung Art des Trägermaterials Promotorenzusätze Phasenzusammensetzung Partikelgröße Hohlraumstruktur Oberflächenstruktur Nebenprodukte im Feed Kinetik der Heterogenkatalyse Filmdiffusion Porendiffusion Sorption Oberflächenreaktionen Porendiffusion und chemische Reaktion Filmdiffusion und chemische Reaktion Reaktor Grundlagen der chemischen Reaktionstechnik Ideale Reaktoren Reaktoren mit realem Verhalten 62

12 X Inhaltsverzeichnis Nicht-isotherme Reaktoren Ausführungsformen von Reaktoren Produktaufarbeitung (thermische- und mechanische Trennverfahren) Wärmeübertragung, Verdampfung, Kondensation Grundlagen Dimensionierung Destillation, Rektifikation Grundlagen der Gas/Flüssig-Gleichgewichte Einstufige Verdampfung Mehrstufige Verdampfung (Rektifikation) Entwurf von Destillationsanlagen Absorption und Desorption, Strippung, Trägerdampfdestillation Grundlagen Dimensionierung Desorption Trägerdampfdestillation Extraktion Grundlagen Dimensionierung Apparatives Kristallisation Grundlagen Lösungskristallisation Schmelzkristallisation Dimensionierung Adsorption, Chemisorption Ionentausch Trocknung Sonderverfahren für fluide Phasen Mechanische Verfahren Abtrennung von Feststoffen aus Flüssigkeiten Rohrleitungssystem, Pumpen, Kompressoren Grundlagen der Hydrodynamik Einphasenströmung in Rohrleitungen Flüssigkeitspumpen Verdichter Energieversorgung Dampf- und Kondensatsystem Elektrische Energie Kühlwasser Kälteenergie Druckluft Produktversorgung und Lagerung Rückstandsentsorgung Abgassammelsystem und Fackel 198

13 XI Verbrennungsanlagen für gasförmige und flüssige Rückstände Spezielle Verfahren zur Abluftreinigung Abwasserreinigung und -entsorgung Kläranlage Spezielle Verfahren der Abwasserreinigung Slopsystem Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik Messtechnik Temperaturmessung Druckmessung Füllstandsmessung Durchflussmessung Analysen Regelungstechnik Steuerungstechnik Anlagensicherheit Werkstoffauswahl Wichtige Werkstoffe und ihre Eigenschaften Mechanische Eigenschaften und thermische Beständigkeit Korrosionsverhalten Metallische Werkstoffe Nichtmetallische Werkstoffe Verfahrensunterlagen Chemische Daten Reaktionswärme Thermodynamisches Gleichgewicht Kinetik Selektivität und Umsatz als Funktion der Prozessparameter Massenbilanz Stoffdaten Reinstoffdaten Mischungsdaten Aufarbeitung Patent- und Lizenzsituation Entwicklungskosten Standort Marktsituation Rohstoffe Anlagenkapazität Entsorgungssituation Endprodukt 287

14 XII Inhaltsverzeichnis 4 Ablauf einer Verfahrensentwicklung Die Verfahrensentwicklung als iterativer Prozess Die Aufstellung des ersten Verfahrenskonzeptes Handwerkszeuge Datenbanken Simulationsprogramme Expertensysteme Die Prüfung der Einzelschritte Mikroplant, Schnittstelle zwischen Labor und Technikum Die Prüfung des Gesamtverfahrens im Technikum Miniplant-Technik Einleitung Aufbau Grenzen der Miniaturisierung Grenzen der Miniplanttechnik Pilotanlage Planung, Errichtung und Betriebnahme einer Chemieanlage Allgemeiner Ablauf einer Projektabwicklung Wichtige Teilaspekte bei der Projektabwicklung Genehmigung Sicherheitsstudien Störfallverordnung R&I-Fließbilder Funktionspläne Technische Blätter Modellbau Erstellung weiterer wichtiger Unterlagen Commissioning Inbetriebnahme Verfahrensbewertung Erstellung von Studien Kurzfassung Grundfließbild Verfahrensbeschreibung und Verfahrensfließbild Entsorgungsfließbild Investitionsschätzung Einleitung Investitionen (ISBL) Investitionen (OSBL) Infrastrukturmaßnahmen Berechnung der Herstellkosten Einsatzstoffkosten Energiekosten 351

15 XIII Entsorgungskosten Personalkosten Werkstattkosten Sonstige Kosten Kapitalabhängige Kosten (Abschreibung) Technologiebewertung Maßnahmen zur Erhöhung der technischen Zuverlässigkeit Experimenteller Ausarbeitungsstand Rentabilität Statische Rentabilität Dynamische Rentabilität Wirtschaftliches Risiko Sensitivitätsanalyse Amortisationszeit Cash-Flow Trends in der Verfahrensentwicklung Anhang Mathematische Formeln Naturkonstanten Elementzusammenstellung mit relativen Atommassen und Bindungsradien sowie Schmelz- und Siedepunkten Umrechnung verschiedener Maßeinheiten in SI-Einheiten Wichtige Zusammenhänge zwischen abgeleiteten Einheiten und Basiseinheiten Umrechnung von Konzentrationsangaben binärer Mischungen der gelösten Komponente A im Lösungsmittel B Van-der-Waals-Konstanten a und b und kritische Werte für einige Gase in alphabetischer Reihenfolge Wärmekapazitäten einiger Stoffe und ihre Temperaturabhängigkeit Thermodynamische Daten ausgewählter organischer Verbindungen Größenordnung der Reaktionsenthalpie D R H ausgewählter technischer Reaktionen Antoine-Parameter ausgewählter organischer Verbindungen Eigenschaften von Wasser Formeln für die Berechnung der physikalisch-chemischen Eigenschaften von flüssigem Wasser zwischen 0 und 150 8C Stoffwerte von Wasser Dichte q /kg m 3 von Wasser bei verschiedenen Temperaturen und Drücken Spezifische Wärmekapazität c P /kj kg 1 K 1 von Wasser bei verschiedenen Temperaturen und Drücken Dynamische Viskosität g/10 6 kg m 1 s 1 von Wasser bei verschiedenen Temperaturen und Drücken 416