Technische Chemie für Dummies E-Book

Stefanie Ortanderl

• Herausgeber: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA
• Kategorie: Fachliteratur
• Serie: ...für Dummies
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 513

Veröffentlichungsjahr: 2018

Beschreibung

Ob im Studium oder in der Praxis - bei der technischen Chemie kommt man schnell an seine Grenzen. Aber keine Sorge, "Technische Chemie für Dummies" hilft Ihnen, bei diesem komplexen Thema den Durchblick zu behalten. Nach einem allgemeinen Überblick über die Entwicklungen, Herausforderungen und Konzepte der technischen Chemie und einer verständlichen Übersicht über die nötige Mathematik lernen Sie, was man bei der praktischen und theoretischen Vorarbeit beachten muss, um die chemische Reaktion später in einem größeren Maßstab durchführen zu können. Anschließend erfahren Sie alles über Reaktionsmodellierung, Katalysatoren und chemische Reaktoren. Idealisierte Modelle helfen Ihnen dabei, aber auch die Umsetzung unter realen Bedingungen kommt nicht zu kurz. Der Verfahrenstechnik ist ein eigener Teil gewidmet, damit auch Trenntechnik, Strömungsmechanik, Fluidströmungen, Dimensionierung und Co. bald kein Problem mehr für Sie sind.

Leseprobe

Technische Chemie für Dummies

Schummelseite

WICHTIGES AUS DER REAKTIONSTECHNIK

Umsatz   Ausbeute:

Produktionsleistung:

Stoffübergang Stoffdurchgang

Wärmeübergang Wärmedurchgang

Diffusion – 1. Fick'sches Gesetz:

Technische Chemie für Dummies

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

1. Auflage 2018

© 2018 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Wiley, the Wiley logo, Für Dummies, the Dummies Man logo, and related trademarks and trade dress are trademarks or registered trademarks of John Wiley & Sons, Inc. and/or its affiliates, in the United States and other countries. Used by permission.

Wiley, die Bezeichnung »Für Dummies«, das Dummies-Mann-Logo und darauf bezogene Gestaltungen sind Marken oder eingetragene Marken von John Wiley & Sons, Inc., USA, Deutschland und in anderen Ländern.

Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Coverfoto: EMiddelkoop / iStock / Thinkstock

Korrektur: Dr. Matthias Delbrück, Dossenheim

Lektorat: Dr. Susanne Hemschemeier, Berlin

Print ISBN: 978-3-527-71334-9

ePub ISBN: 978-3-527-80627-0

mobi ISBN: 978-3-527-80624-9

Inhaltsverzeichnis

Cover

Titelseite

Impressum

Über den Autoren

Danksagung

Einführung

Törichte Annahmen über den Leser

Über dieses Buch

Wie Sie dieses Buch einsetzen

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Was Sie nicht lesen müssen

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Wie es weitergeht

Teil I: Technische Chemie – ein bisschen kennen Sie schon

Kapitel 1: Was ist Technische Chemie?

Standortbestimmung

Ein Leben ohne Chemie?

Technische Chemie ist anders

Was die Chemische Industrie ausmacht

Gibt es Kommunikationsprobleme?

Ein bisschen Statistik

Kapitel 2 Die drei wichtigsten Säulen der Technischen Chemie

Ordnung in die Sache bringen

Chemietechnik ohne Chemie

Chemietechnik mit Chemie

Die Summe macht's – wie chemische Prozesse entstehen

Und immer noch genauer

Neue Vorstellungen

Kapitel 3: Mathematisch gesehen

Logarithmus

Differentialgleichungen (DGL) – gewöhnlich oder partiell

Skalar- und Vektorfelder

Nabla-Operator ∇

Gradient und Divergenz

Dirac'sche Deltafunktion

Taylor-Reihe

Kapitel 4: Alles Chemie – oder was?

Man muss der Sache auf den Grund gehen – die Reaktionsanalyse

Es wird so heiß gegessen, wie's gekocht wird

Geht das nicht ein bisschen schneller?

Experimentelle Bestimmung der Kinetik

Teil II: Mobilität ist angesagt – wie Stoff und Wärme transportiert werden

Kapitel 5: Transportgüter machen sich auf den Weg

Die Reise kann beginnen – Stoffübertragung

Warm geworden – Wärmeübertragung

Alles nach dem gleichen Prinzip – die Analogie von Stoff-, Wärme- und Impulstransport

Kapitel 6: Die Buchhaltung der Reaktionstechnik

Was lässt sich alles bilanzieren?

Der Stoff, aus dem die Träume sind – die Massenbilanz

Erwärmung in eigener Sache – die Wärmebilanz

Stoff und Wärme Hand in Hand

Auch der Impuls will mitreden

Nur für Streber: Stoff- und Wärmebilanz – das steckt dahinter

Kapitel 7: Die Kombination macht's – Stoffübergang und chemische Reaktion

Wann kann ich mit meinem Produkt rechnen?

Gas trifft Flüssigkeit

Gas trifft Feststoff

Brandbeschleuniger am Werk

Nur für Streber: Der Porennutzungsgrad – genau betrachtet

Teil III: Wo die Reaktanden tanzen – chemische Reaktoren

Kapitel 8: Der chemische Reaktor

Die Dinge brauchen einen Namen

Häppchenweise oder am laufenden Band

Das perfekte Ambiente für unsere Gäste – ideale Reaktoren

Jetzt wird (im Reaktor) abgerechnet

Das nimmt Dimensionen an – die Stoffbilanz

Maßgeschneidert und gut kombiniert

Kapitel 9: Hier wird dem Reaktor eingeheizt

Kapitel 10: Besuchszeit zu Ende – hier herrscht reger Durchgangsverkehr

Wie real ist ideal? – von der Wirklichkeit eingeholt

Der einsame Weg der Teilchen

Nur für Streber: Der Realität noch näher

Durchgangshotels mit Stil

Teil IV: Hier sind Verfahrenstechniker gefragt

Kapitel 11: Es wird geheizt, gekühlt, getrennt, vereint

Heizen und Kühlen

Die Kraft der Unterschiede

Wichtige physikalische Grundlagen

Die thermische Trennung

Kapitel 12: Destillation und Rektifikation – mehr als nur Schnapsbrennen

Destillation in der Praxis

Destillation mit Gegenwind – Rektifikation

Wie viele Trennböden hätten Sie denn gern? – das McCabe-Thiele-Verfahren

Kapitel 13: Wie kommt der Kaffee in die Tasse? – Extraktion

Eine feste Beziehung lösen – Feststoff-Extraktion

Immer schön flüssig bleiben – Flüssig-Flüssig-Extraktion

Kapitel 14: Ohne Rohre läuft nichts

Alles fließt

Die Kontinuität macht's

Was will uns Herr Bernoulli sagen?

Die Vermessung der Strömung

…und ab geht die Rohrpost

Ohne Verluste geht es nicht…

Kapitel 15: Pumpen, was das Zeug hält

Erst saugen, dann drücken

Nun fügt sich alles zusammen

Wie viele Watt braucht meine Pumpe?

Kennen Sie die Kennlinie?

Pumpendesign

Teil V: Chemische Prozesse – ganz schön interdisziplinär

Kapitel 16: So machen Sie sich ein Bild von der Sache

Fließbilder weisen den Weg

Prozessleitsysteme

Kapitel 17: Wie ähnlich ist ähnlich? – Größe zeigen

Vom Kleinen zum Großen – das Scale-up

Das hat Modellcharakter

Das Maß ist voll

Nur für Streber: Die Dimensionen müssen weg

Nur für Streber: Die Ähnlichkeitstheorie

Kapitel 18: Hier kommen unsere Grundstoffe her

Stoffe, die die Welt bewegen

Mikroben haben ganze Arbeit geleistet

Ganz schön raffiniert – die Raffinerien

Wollen Sie uns verkohlen? – Wozu alte Bäume nützlich sind

Was die Natur sonst noch zu bieten hat

Teil VI: Der Top-Ten-Teil

Kapitel 19: Zehn wirklich viel produzierte Chemikalien

Schwefelsäure

Ethen

Chlor

Natronlauge

Propen

1,2-Dichlorethan

Ammoniak

Benzol

Methanol

1,3-Butadien

Teil VII: Anhang

A: Symbole und Abkürzungen, die in diesem Buch verwendet werden

B: Kleines Glossar

Stichwortverzeichnis

End User License Agreement

Tabellenverzeichnis

Kapitel 4

Tabelle 4.1: Zeitgesetze mit Lösungen

Kapitel 5

Tabelle 5.1: Wärmeleitfähigkeiten

Kapitel 7

Tabelle 7.1: Beispiele von Gas-flüssig-Reaktionen

Tabelle 7.2: Heterogen katalysierte Reaktionen

Kapitel 8

Tabelle 8.1: Ergebnisse aus den Stoffbilanzen der idealen Reaktoren

Kapitel 11

Tabelle 11.1: Verfahrenstechnische Grundoperationen

Tabelle 11.2: Gleichgewicht in thermischen Trennprozessen

Kapitel 16

Tabelle 16.1: MSR-Bezeichnungen in einem RI-Fließbild

Kapitel 17

Tabelle 17.1: Grundgrößen nach SI

Tabelle 17.2: Für die Verfahrenstechnik wichtige abgeleitete Größen nach SI

Tabelle 17.3: Einflussgrößen für eine verlustfreie stationäre Strömung

Kapitel 18

Tabelle 18.1: Primärprodukte der Erdöldestillation

Tabelle 18.2: Folgeprodukte und Verwendung der Erdölverarbeitung

Tabelle 18.3: Langkettige Fettsäuren

Illustrationsverzeichnis

Kapitel 1

Abbildung 1.1: Anteile am Weltchemieumsatz

Kapitel 2

Abbildung 2.1: Die Säulen der Technischen Chemie: Reaktionskinetik, verfahrenstechnische Grundoperationen und Prozesskunde

Abbildung 2.2: Ablaufschema der Entwicklung eines chemischen Prozesses

Kapitel 3

Abbildung 3.1: Dirac'sche Deltafunktion

Kapitel 4

Abbildung 4.1: Zustände an einem Hochhaus

Abbildung 4.2: Oberfläche in Relation zum Volumen

Abbildung 4.3: Konzentrationsverlauf bei einer Folgereaktion

Abbildung 4.4: (a) Integralreaktor, (b) Differentialreaktor

Abbildung 4.5: Reaktionsgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Zeit

Abbildung 4.6: Grafische Ermittlung der kinetischen Parameter nach der Differentialmethode

Abbildung 4.7: Grafische Ermittlung der kinetischen Parameter nach der Integralmethode

Kapitel 5

Abbildung 5.1: Gleichverteilung von Teilchen im Raum

Abbildung 5.2: Diffusion aufgrund eines Konzentrationsgefälles

Abbildung 5.3: Molekulare Gegendiffusion

Abbildung 5.4: Porendiffusion in einem porösen Material

Abbildung 5.5: Einseitige Diffusion am Beispiel einer Absorption

Abbildung 5.6: Einseitige Diffusion am Beispiel einer Trocknung

Abbildung 5.7: Vorgänge bei einseitiger Diffusion

Abbildung 5.8: Zweifilm-Modell am Beispiel einer Gas-flüssig-Reaktion

Abbildung 5.9: Penetrationsmodell

Abbildung 5.10: Oberflächenerneuerungsmodell

Abbildung 5.11: Wärmeleitung durch eine Schicht

Abbildung 5.12: Wärmeleitung durch mehrere Schichten

Abbildung 5.13: Wärmleitung durch eine Rohrwand

Abbildung 5.14: Wärmedurchgang durch eine Wand

Kapitel 6

Abbildung 6.1: Bilanz-Kontrollvolumen

Abbildung 6.2: Stoffbilanz

Abbildung 6.3: Wärmebilanz

Abbildung 6.4: Konvektiver Term in der Stoffbilanz

Abbildung 6.5: Konduktiver Term in der Stoffbilanz

Abbildung 6.6: Konvektiver Term in der Wärmebilanz

Abbildung 6.7: Konduktiver Term in der Wärmebilanz

Kapitel 7

Abbildung 7.1: Langsame Reaktion eines Gases mit einer Flüssigkeit

Abbildung 7.2: Schnelle Reaktion eines Gases mit einer Flüssigkeit

Abbildung 7.3: Reaktion von Gas und Feststoff

Abbildung 7.4: Konzentrationsverlauf des Edukts (

c

1

) und des Produkts (

c

2

) bei Reaktion in einem porösen Feststoff

Abbildung 7.5: Änderung der Aktivierungsenergie durch einen Katalysator

Abbildung 7.6: Produktspektrum, das aus Ethanol gewonnen wird

Abbildung 7.7: Reaktionszonen am und im Katalysator

Abbildung 7.8: Katalysatorverluste

Abbildung 7.9: Nichtporöses Katalysatorteilchen mit laminarer Grenzschicht

Abbildung 7.10: Poröses Katalysatorteilchen mit laminarer Grenzschicht

Abbildung 7.11: Vereinfachte Darstellung einer zylindrischen Pore

Abbildung 7.12: Porennutzungsgrad

Kapitel 8

Abbildung 8.1: Nützliche Definitionen

Abbildung 8.2: Hrefeale chemische Reaktoren

Abbildung 8.3: Pfropfenströmung in einem hrefealen Rohr

Abbildung 8.4: Zeitlicher (t) und örtlicher (x) Konzentrationsverlauf in den hrefealen Reaktoren

Abbildung 8.5: Diskontinuierlich betriebener hrefealer Rührkessel – IK

Abbildung 8.6: Stoffbilanz des diskontinuierlichen hrefealen Rührkessels

Abbildung 8.7: Kontinuierlich betriebener hrefealer Rührkessel - KIK

Abbildung 8.8: Stoffbilanz des kontinuierlichen hrefealen Rührkessels

Abbildung 8.9: Hrefeales Strömungsrohr – IR

Abbildung 8.10: Stoffbilanz des hrefealen Strömungsrohrs

Abbildung 8.11: Rührkessel-Kaskade

Abbildung 8.12: Umsatzentwicklung und Konzentrationsverlauf in einer Rührkessel-Kaskade mit drei Kesseln

Abbildung 8.13: Annäherung an ein Strömungsrohr mit zunehmender Kesselanzahl

Abbildung 8.14: Leistungsvergleich von Rührkessel und Strömungsrohr

Abbildung 8.15: Rührkessel-Kaskade mit unterschiedlich großen Kesseln

Abbildung 8.16: Optimierung der Kesselgrößen in einer Kaskade

Abbildung 8.17: Optimales Verhältnis der Kesselgrößen in einer Kaskade

Abbildung 8.18: Kombination eines Rührkesses mit einem Strömungsrohr

Abbildung 8.19: Schema und Umsatzverhalten eines Schlaufenreaktors

Kapitel 9

Abbildung 9.1: Unterschiedliche Temperaturführung im Reaktor

Abbildung 9.2: Wärmeaustausch in einem Reaktor

Abbildung 9.3: Wärmebilanz in einem adiabatisch betriebenen diskontinuierlichen hrefealen Rührkessel

Abbildung 9.4: Wärmebilanz in einem isotherm betriebenen diskontinuierlichen hrefealen Rührkessel

Abbildung 9.5: Wärmebilanz in einem adiabatisch betriebenen kontinuierlichen Rührkessel

Abbildung 9.6: Betriebsverhalten eines adiabatisch betriebenen hrefealen Rührkessels

Abbildung 9.7: Veränderung der Wärmeabfuhrgeraden

Abbildung 9.8: Wärmebilanz in einem polytrop betriebenen kontinuierlichen Rührkessel

Abbildung 9.9: Betriebsverhalten eines polytrop betriebenen kontinuierlichen hrefealen Rührkesses

Abbildung 9.10: Wärmebilanz in einem adiabatisch betriebenen hrefealen Strömungsrohr

Kapitel 10

Abbildung 10.1: Abweichungen vom hrefealen Verhalten in Reaktoren

Abbildung 10.2: Unterschiedliche Wege der Teilchen im Reaktor

Abbildung 10.3: Registrierung einer Markierungssubstanz am Ausgang eines Rührkessels (a), Verweilzeitdichtekurve (b)

Abbildung 10.4: Dirac'sche Delta-Funktion

Abbildung 10.5: Verweilzeitsummenkurve

Abbildung 10.6: experimentelle Bestimmung der Verweilzeitverteilung

Abbildung 10.7: Verweilzeitkurve in einem realen Reaktor

Abbildung 10.8: Verweilzeitdichtefunktion, gemessen und normiert

Abbildung 10.9: Bestimmung der Verweilzeitverteilung eines realen

Rührkessels

durch Stoßmarkierung

Abbildung 10.10: Bestimmung der Verweilzeitverteilung eines realen

Strömungsrohrs

durch Stoßmarkierung

Abbildung 10.11: Bestimmung der Verweilzeitsummenfunktion eines realen Rührkessels durch Verdrängungsmarkierung:

Abbildung 10.12: Bestimmung der Verweilzeitsummenfunktion eines realen Strömungsrohrs durch Verdrängungsmarkierung

Abbildung 10.13: Verweilzeitkurven der hrefealen Reaktoren

Abbildung 10.14: Vergleich von hrefealen und realen Reaktoren

Abbildung 10.15: Verweilzeitkurven einer Rührkesselkaskade

Abbildung 10.16: Begaster Rührkessel

Abbildung 10.17: Blasensäule

Abbildung 10.18: Sprühturm

Abbildung 10.19: Kammer-Reaktor

Abbildung 10.20: Fallfilm-Reaktor

Abbildung 10.21: Rieselfilm-Reaktor

Abbildung 10.22: Horden-Reaktor

Abbildung 10.23: Rohrbündel-Reaktor

Abbildung 10.24: Kontaktofen

Abbildung 10.25: Wirbelschicht-Reaktor

Kapitel 11

Abbildung 11.1: Teil eines chemischen Komplexes, © EMhrefdelkoop/iStock/Thinkstock

Abbildung 11.2: Wärmetauscher

Abbildung 11.3: Dampfdruck über einer Flüssigkeit

Abbildung 11.4: Dampfdruck von hrefealen und nichthrefealen Mischungen

Abbildung 11.5: Die Konzentration eines gelösten Gases hängt vom Dampfdruck ab

Abbildung 11.6: Siedediagramm mit Gleichgewichtskurve

Abbildung 11.7: Modell einer theoretischen Trennstufe

Abbildung 11.8: Phasen im Gleichstrom

Abbildung 11.9: Phasen im Kreuzstrom

Abbildung 11.10: Phasen im Gegenstrom

Abbildung 11.11: Mehrfache Destillation eines Gemisches

Abbildung 11.12: Mehrfache Destillation eines Gemisches unter Rückführung der Phasen

Abbildung 11.13: Entstehung einer Kolonne

Kapitel 12

Abbildung 12.1: Trennung eines Flüssigkeitsgemisches in Destillat und Rückstand

Abbildung 12.2: Apparatur zum Destillieren eines Flüssigkeitsgemisches

Abbildung 12.3: Gleichgewichtskurve zwischen Flüssigkeit und Dampf

Abbildung 12.4: Diskontinuierliche Destillation im technischen Maßstab

Abbildung 12.5: Wasserdampfdestillation

Abbildung 12.6: Kontinuierliche Destillation im technischen Maßstab

Abbildung 12.7: Wiederholtes Destillieren eines Flüssigkeitsgemisches

Abbildung 12.8: Vergleich von Destillationen mit guter und schlechter Trennleistung

Abbildung 12.9: Kolonnen in einem Chemiekomplex, © wit88 / iStock / Thinkstock

Abbildung 12.10: Anreicherung von Leichter- und Schwerersiedendem im Gegenstrom

Abbildung 12.11: Rektifikationsanlage

Abbildung 12.12: Funktionsweise eines Trennbodens

Abbildung 12.13: Austauschboden in Kolonnen

Abbildung 12.14: Unterschiedliche Füllkörper für Füllkörperkolonnen

Abbildung 12.15: Material für Packungskolonnen

Abbildung 12.16: Kontinuierliche Rektifikationsanlage mit mittigem Zulauf

Abbildung 12.17: Rektifikationskolonne mit Seitenprodukten

Abbildung 12.18: Rektifikation von Mehrstoffgemischen

Abbildung 12.19: Azeotrop-Rektifikation

Abbildung 12.20: Rektifikation engsiedender Gemische

Abbildung 12.21: Trennböden in einer Kolonne im Gleichgewichtsdiagramm

Abbildung 12.22: theoretische Trennstufen

Abbildung 12.23: Stoffstrombilanz am Kolonnenkopf der Kolonne

Abbildung 12.24: McCabe-Thiele-Diagramm mit Verstärkungsgerade

Abbildung 12.25: Stoffstrombilanz am Sumpf der Kolonne

Abbildung 12.26: Trennstufen mit Verstärkungs- und Abtriebsgerade

Abbildung 12.27: Zu- und Ablaufströme auf einem Trennboden

Abbildung 12.28: Stoffstrombilanz am Zulaufboden

Abbildung 12.29: Schnittpunktsgerade

Abbildung 12.30: Bilanzgerade beim Mindestrücklaufverhältnis

Abbildung 12.31: Verhalten von Trennstufenzahl und Rücklaufverhältnis

Abbildung 12.32: Eckpunkte bei einer Rektifikation

Kapitel 13

Abbildung 13.1: Schema eines Extraktionsvorgangs

Abbildung 13.2: Feststoff-Extraktion zuhause

Abbildung 13.3: Feststoff-Extraktion in einem Becherglas

Abbildung 13.4: Diskontinuierliche Feststoff-Extraktion

Abbildung 13.5: Kontinuierliche Feststoff-Extraktion

Abbildung 13.6: Flüssig-Flüssig-Extraktion im Becherglas

Abbildung 13.7: Mixer-Settler-Anlage im Gegenstrom

Abbildung 13.8: Extraktionskolonne im Gegenstrom

Abbildung 13.9: Beladungsdiagramm

Abbildung 13.10: Arbeitslinien in einem Dreiecksdiagramm

Abbildung 13.11: Anwendung des Hebelgesetzes

Abbildung 13.12: Hebelgesetz an einer Waage

Abbildung 13.13: Einstufige Extraktion in einer Mixer-Settler-Anlage

Abbildung 13.14: Zusammenhang zwischen Beladungs- und Dreiecksdiagramm

Abbildung 13.15: Extraktionsdiagramme. a) A und B unlöslich, b) A und B teilweise löslich

Abbildung 13.16: Verschiedene Formen von Mischungslücken

Abbildung 13.17: Konstruktion von Konnoden mithilfe der Konjugationslinie

Abbildung 13.18: Wiederholtes Extrahieren

Abbildung 13.19: Kreuzstrom-Extraktion

Abbildung 13.20: Theoretisches Ergebnis einer Extraktion

Abbildung 13.21: Gegenstrom-Extraktion

Abbildung 13.22: Polstrahlverfahren 1. Schritt

Abbildung 13.23: Polstrahlverfahren 2. Schritt

Abbildung 13.24: Polstrahlverfahren 3. Schritt

Abbildung 13.25: Polstrahlverfahren – Endzustand

Abbildung 13.26: Mischungsgeraden bei der Gegenstrom-Extraktion

Kapitel 14

Abbildung 14.1: Strömung im Raum

Abbildung 14.2: Umströmung eines Körpers

Abbildung 14.3: Staudruckrohre

Abbildung 14.4: Funktionsweise eins Prandtl-Rohrs

Abbildung 14.5: Venturi-Düse

Abbildung 14.6: Rotameter

Abbildung 14.7: Anemometer. (a) Schaufelrad, (b) Hitzdraht

Abbildung 14.8: Laminare (a) und turbulente (b) Rohrströmung

Abbildung 14.9: Umschlag einer laminaren in eine turbulente Strömung bei einer Plattenanströmung

Abbildung 14.10: Anlaufstrecke bis zur Ausbildung eines stationären Strömungsprofils in einem Rohr

Abbildung 14.11: Reibungskraft einer Strömung

Abbildung 14.12: Fließkurve

Abbildung 14.13: Druckverlust in einer Rohströmung

Abbildung 14.14: Geschwindigkeitsprofil einer laminaren Strömung durch ein Rohr

Kapitel 15

Abbildung 15.1: Saugrohr an einer Gartenpumpe

Abbildung 15.2: Aufgabe einer Pumpe

Abbildung 15.3: Pumpenkennlinie

Abbildung 15.4: Kreiselpumpe

Abbildung 15.5: Prinzip einer Hubkolbenpumpe

Abbildung 15.6: Prinzip einer Kreiskolbenpumpe (a) und einer Schlauchpumpe (b)

Abbildung 15.7: Prinzip einer Strahlpumpe

Kapitel 16

Abbildung 16.1: Grundfließbild

Abbildung 16.2: Grundfließbild mit Zusatzinformationen

Abbildung 16.3: Verfahrensfließbild

Abbildung 16.4: Temperaturentwicklung in einer Rührkesselkaskade

Abbildung 16.5: RI-Fließbild

Abbildung 16.6: RI-Fließbilder aus der Industrie

Kapitel 18

Abbildung 18.1: Destillation von Rohöl

Abbildung 18.2: Destillation des Atmosphärenrückstands aus der Rohöldestillation

Abbildung 18.3: Kraftstoffraffinerie

Abbildung 18.4: Schema einer petrochemischen Raffinerie

Abbildung 18.5: Freie Bildungsenthalpie von Kohlenwasserstoffen in Abhängigkeit von der Temperatur

Abbildung 18.6: Mitteltemperaturpyrolyse mit Steamcracker

Abbildung 18.7: Aufarbeitung der Crackgase

Abbildung 18.8: Verarbeitung von Kohle

Abbildung 18.9: Erzeugung von Synthesegas

Abbildung 18.10: Synthesegas-Chemie

Abbildung 18.11: Herstellung von Oleochemikalien

Abbildung 18.12: Verarbeitung von Holz

Abbildung 18.13: Verarbeitung von Cellulose (CMC: Carboxymethylcellulose, MC: Methylcellulose, EC: Ethylcellulose, HEC: Hydroxyethylcellulose, HPC: Hydroxypropylcellulose)

Abbildung 18.14: Verwendung von Stärke

Abbildung 18.15: Verarbeitung von Stärke

Abbildung 18.16: Fermentative Verarbeitung von Zucker

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Über den Autoren

Prof. Dr. Stefanie Ortanderl studierte in Hamburg Chemie und promovierte in Paderborn. Seit 1999 ist sie Professorin für Technische Chemie an der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg.

Danksagung

Ich möchte Prof. Dr. Hans Christoph Broecker für die Übernahme des Fachlektorats danken. Seine direkten, unerbittlichen, jedoch nachsichtigen Kommentare halfen an so mancher Stelle, mathematische Zusammenhänge in die richtige Bahn zu lenken.

Außerdem danke ich meiner Lektorin Dr. Katharina Hemschemeier für die Überarbeitung des Manuskriptes und die sehr angenehme Zusammenarbeit. Mein Dank gilt zudem Dr. Matthias Delbrück, dessen sachdienliche Hinweise ich zu schätzen wusste, sowie Esther Neuendorf als verantwortliche Programmleiterin vom Verlag, die es sich selbst nicht nehmen ließ, tief in die Kapitel hineinzuschauen und das Projekt schließlich ins Rollen brachte.

Einführung

Das Fach Chemie weckt bei manchem schaurige Erinnerungen an die Schulzeit. Technik wiederum bestimmt in erheblichem Maß unser Leben – das werden Sie kaum bezweifeln. Man möchte nicht darauf verzichten, aber verstehen, wie und warum das alles funktioniert, das übersteigt oft die Vorstellungskraft. Und nun auch noch die Kombination von beidem.

Haben Sie sich schon einmal gefragt, woher eigentlich die ganzen Gegenstände und Stoffe kommen, die mittlerweile aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken sind? – Staubsauger, Acrylbadewannen, Autolack, atmungsaktive Kleidung, Farben, Kabelisolierungen, Klebstoffe, Spezialwaschmittel, Kosmetika,. Arzneistoffe, Kerosin für Ihre Urlaubsflüge … Die Liste würde mehr als dieses Buch füllen. Bis auf wenige Ausnahmen können die Materialien, aus denen unsere Gebrauchsmittel bestehen, nicht einfach aus der Natur entnommen werden wie zum Beispiel das Holz, um einen Tisch zu bauen.

Die Tatsache, dass Chemiker im Labor Stoffe »erfunden« haben, bedeutet noch lange nicht, dass Sie in jedem Baumarkt Lichtschalter, Putzdosen oder Plastikeimer kaufen, Ihr Paket mit Klebestreifen verpacken oder wie selbstverständlich an einer Tankstelle Benzin zapfen können, wenn Ihr Tank leer ist. Selbst wenn man weiß, wie sich bestimmte künstliche Stoffe herstellen lassen, ist damit noch keine Garantie verbunden, dass diese auch in notwendig großen Mengen und in zuverlässiger Qualität erzeugt werden können.

Dafür braucht es die Technische Chemie! Holen Sie sich in diesem Buch das Verständnis dafür, wie Chemiker, Techniker und insbesondere die Chemische Industrie dieses Problem grundsätzlich angehen. Denken Sie nicht, wenn Sie dieses Buch gelesen haben, eine chemische Anlage betreiben oder gar bauen zu können. Dazu sind die Sachverhalte viel zu komplex. Es kann um nichts anderes als ein einführendes Verständnis der Dinge gehen. Wenn Sie die Prinzipien verstanden haben, haben Sie eine solide Grundlage, sich weiteres Spezialwissen anzueignen.

Törichte Annahmen über den Leser

In diesem Buch wird davon ausgegangen, dass Sie sich in Grundzügen mit Chemie bereits in irgendeiner Weise befasst haben. Wichtige Begriffe wie Stoffmenge, Konzentration oder Reaktionsgeschwindigkeit sagen Ihnen etwas, wenn auch wichtige Dinge hier noch einmal klargestellt werden. Auch sollten Sie keine Berührungsängste mit hin und wieder etwas umfangreicheren mathematischen Abhandlungen und Herleitungen haben. Wir werden in diesem Buch keine höhere Mathematik betreiben und komplizierte Gleichungen lösen, aber Sie sollten wenigsten den Anblick solcher Gleichungen ertragen, die man vielleicht lösen könnte, ohne gleich das Buch zuzuklappen. Das dient nämlich dem grundsätzlichen Verständnis und der Einordnung in den Gesamtkontext. Es wird in diesem Buch keine Gleichung geben, die einfach so dasteht, ohne eine Idee, wie sie zustande kommt.

Über dieses Buch

Technische Chemie für Dummies ist für drei Gruppen von Lesern gedacht: Studenten, die dieses Fach freiwillig oder unfreiwillig gewählt haben, Berufstätige, die sich im Berufsalltag mit interdisziplinärem Wissen sinnvoll einbringen möchten und dazu alle, die sich für eine Einführung in diese Thematik interessieren. Technische Chemie ist häufig kein Pflichtfach im Chemiestudium, obwohl es nicht schlecht wäre, sich zumindest mit den Grundzügen auseinanderzusetzen, geht es doch schließlich um die Umsetzung der im Labor erarbeiteten Erfolge in die Praxis, und was dabei grundlegend anders ist.

Wenn Sie sich mit bestimmten Problemstellungen oder Randerscheinungen der Technischen Chemie oder der Chemischen Verfahrenstechnik beschäftigen und von der Vielfalt der damit einhergehenden mathematischen Modelle oder den vielen verschiedenen Bezeichnungen und Indizes erschlagen werden, dann soll dieses Buch dazu dienen, einen Überblick über die grundsätzlichen Zusammenhänge zu bekommen. Es deckt die wichtigsten Teilgebiete in Grundzügen ab, die für einen Einstieg in die Technische Chemie wichtig sind. Zugegeben geht es manchmal auch etwas mehr in die Tiefe, was aber nur helfen soll, die Problematik besser zu verstehen.

Haben Sie sich schon einmal mit Technischer Chemie befasst, das Gelernte aber wieder vergessen oder damals schon irgendwie nicht richtig verstanden, und Sie denken, dass Sie es nun gut für Ihre Aufgaben in der beruflichen Praxis oder ein weiterführendes Studium gebrauchen können, dann bietet Ihnen Technische Chemie für Dummies eine sinnvolle Auffrischung Ihres Wissens.

Technische Chemie ohne Mathematik oder Formeln wäre wie eine Kirche ohne Maus. Deshalb gibt es in diesem Buch auch jede Menge davon (keine Mäuse, sondern Formeln). Die grundsätzlichen mathematischen Herangehensweisen dienen der Vollständigkeit – ich habe mich aber jeweils auf das wirklich Nötigste beschränkt, manchmal etwas mehr, manchmal vielleicht nicht ausführlich genug, aber das ist ja immer Geschmackssache. Fahren Sie auf der Autobahn mal staunend an Anlagen der Chemischen Industrie vorbei, denen man – besonders im Dunkeln – einen gewissen ästhetischen Reiz nicht absprechen kann (zumindest manche können das nicht), dann sollen Sie hier eine Ahnung davon bekommen, was sich in den vielen geheimnisvollen Türmen, Gerüsten, Rohren und Gebäuden abspielen könnte.

Dieses Buch ist als Einführung in die Technische Chemie gedacht, deshalb wird auch auf detaillierte Berechnungen, wie sie für die konkrete tatsächliche Umsetzung in der Praxis erforderlich sind, nicht eingegangen. Hier geht es darum, dass Sie die Prinzipien verstehen; sie können sich dann immer noch ausmalen, dass in Wirklichkeit alles viel schwieriger und komplizierter ist. Auch die Technische Chemie arbeitet mit zahlreichen theoretischen Modellen. Diese behalten ihre Gültigkeit, auch wenn es komplexer wird, mit entsprechenden Erweiterungen und Modifikationen passt man sich den jeweiligen realen Gegebenheiten an.

Es ist noch nie gelungen, einen kompletten chemischen Prozess allein am Schreibtisch zu entwickeln. Erfahrung und Empirie sind hier nicht wegzudenken und erfüllen stets ihren Zweck. Aber es hilft ungemein weiter, die zugrundeliegenden Modelle verstanden zu haben und weitgehend anzuwenden, denn was man vorher (zumindest näherungsweise) berechnen kann, hilft, Zeit und Geld zu sparen und vielleicht manchen Flop zu vermeiden.

Wie Sie dieses Buch einsetzen

Jedes Kapitel ist in sich geschlossen; sie können sich dort jeweils mit einem Teilgebiet der Technischen Chemie vertraut machen. Gibt es Berührungspunkte mit anderen Themen, werden Sie durch entsprechende Verweise darauf aufmerksam gemacht. Sie können dieses Buch natürlich auch von vorne bis hinten lesen (generell ein durchaus bewährtes Verfahren).

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Mit diesem Symbol werden wichtige Dinge angezeigt. Diese Aussagen sollten Sie wirklich verstanden haben.

Hier werden Sie darauf aufmerksam gemacht, dass Sie vielleicht einem Irrglauben verfallen sind. Dinge sind manchmal anders, als man sie zunächst annimmt.

Wenn Sie dieses Symbol sehen, kommt etwas, das Sie aus der Schule oder aus dem Chemiestudium eigentlich schon wissen sollten. Falls Sie Zweifel haben, lesen Sie noch einmal nach.

Hier wird es mitunter doch etwas kompliziert, aber ich konnte mir nicht verkneifen, diese Passagen (mitunter wilde Differentialgleichungen) mit in das Buch aufzunehmen. Nicht um Sie zu ärgern, sondern um Ihnen bewusst zu machen, was wirklich dahinter steckt, auch wenn man diese Gleichungen häufig gar nicht in der Form lösen kann.

Etwas über den Tellerrand geschaut gibt es hier Erklärungen zu Personen oder Sachverhalten.

Hier finden Sie Beispiele, die das jeweilige Thema veranschaulichen und vertiefen sollen.

Was Sie nicht lesen müssen

In einigen Kapitel finden Sie Abschnitte (manche kürzer, mancher etwas länger), die mit »Nur für Streber: …« beginnen. Hier wird etwas weiter ausgeholt, besonders wenn es um die Darstellung eines mathematischen Hintergrunds geht. Da könnten Sie schon mitunter das Gefühl haben, Sie seien »im falschen Film«. Wenn Sie Dinge nachvollziehen wollen, sind Sie vielleicht dankbar für die detaillierten Ausführungen, aber Sie verpassen auch nichts, wenn Sie solche Passagen einfach nur querlesen oder überspringen. (Als Streber werden Menschen bezeichnet, die mehr wissen wollen, als sie unbedingt müssen, und genau die meine ich. Neugier und Wissensdurst sind doch eigentlich etwas Positives, deshalb ist es unverständlich, dass dieser Begriff manchmal etwas abschätzig gemeint ist.)

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Das Buch ist in fünf Teile gegliedert. Technische Chemie setzt sich aus vielen einzelnen Teilgebieten zusammen, die alle ineinandergreifen und letztendlich zu einem chemischen Prozess führen. Sie sollen die wichtigsten Themen in Grundzügen kennenlernen. Natürlich können einige davon nur oberflächlich angekratzt werden, ohne wirklich in die Tiefe gehen zu können; dazu fehlt der Platz und es ist auch nicht Aufgabe dieses Buches, Sie in die Lage zu versetzen, beispielsweise eine Destillationskolonne für einen Durchsatz von 1000 Tonnen pro Tag bis in alle Einzelheiten zu dimensionieren. Hier soll es um das Verständnis der grundlegenden Konzepte und den großen Überblick gehen.

Teil I: Technische Chemie – ein bisschen kennen Sie schon

Es wird erklärt, was sich alles hinter dem Teilgebiet Technische Chemie verbirgt und welches die grundlegenden Prinzipien und Konzepte sind, die darin vorkommen. Sie erhalten ein eigenes kurzes Kapitel über einige nützliche mathematische Zusammenhänge; hier können Sie nachschauen, bevor Sie irgendwo im Buch an einer Gleichung verzweifeln. Zudem sollte Ihnen bewusst sein, dass Sie es immer noch mit chemischen Prozessen zu tun haben. Die Chemie als solche ist nicht anders als im Labor. Einige wichtige Grundlagen werden noch einmal rekapituliert.

Teil II: Mobilität ist angesagt – wie Stoff und Wärme transportiert werden

Durch die größeren Abmessungen in technischen Systemen lässt es sich nicht vermeiden, dass Stoffe und Wärme vergleichsweise lange Strecken zurücklegen müssen, bevor es überhaupt zu chemischen Reaktionen kommen kann. Sind mehrere Phasen beteiligt, müssen auch noch Phasengrenzen überwunden werden. Auch können Sie sich vorstellen, dass sich die Teilchen manchmal schwertun, durch die engen Poren eines Katalysators hindurchzukriechen. Erstaunlicherweise lässt sich der Transport von Stoff und Wärme nach ähnlichen Gesetzen beschreiben. Auf welche Weise dies erfolgt, da sind die Teilchen sehr einfallsreich. All das kostet Zeit, die die eigentliche Geschwindigkeit der chemischen Reaktion beeinträchtigt. Stoff und Wärme unterliegen den sogenannten Erhaltungssätzen. Sie werden in diesem Teil in die Aufstellung entsprechender Bilanzgleichungen eingeführt, die als Grundlage für viele technische Problemstellungen dienen.

Teil III: Wo die Reaktanden tanzen – Chemische Reaktoren

Hier findet Reaktionstechnik pur statt. Sie sollen erfahren, wie man einen chemischen Reaktor dimensioniert und was man dabei alles beachten muss. Zunächst werden idealisierte Modellreaktoren unter die Lupe genommen. Sie erkennen, wie diese sich voneinander abgrenzen und Grenzfälle aller denkbaren Situationen abbilden; in diesem Fall kommen wir mit einfachen Bilanzaufstellungen zurecht. Etwas unübersichtlicher wird es, wenn man doch einmal auf den Boden der Tatsachen übergeht und schaut, was in der Realität passiert. Sie werden mit Verweilzeitmodellen konfrontiert und was diese am Gesamtgeschehen ausrichten.

Teil IV: Hier sind Verfahrenstechniker gefragt

Chemische Technik bedeutet viel Verfahrenstechnik, die eigentliche chemische Reaktion macht häufig nur einen Bruchteil des Ganzen aus. Das, was Sie an einer chemischen Fabrik von Weitem erkennen können, dient im Wesentlichen dazu, Stoffe für die anstehende Reaktion vorzubereiten und Produkte aufzuarbeiten, damit man damit etwas anfangen kann. Es kann hier nicht alles besprochen werden. Der begrenzte Platz in diesem Buch wird genutzt, um sich etwas mehr in die thermischen Trennverfahren zu vertiefen, denn diese kommen oft innerhalb eines chemischen Prozesses vor. Hier können Sie sich auch mit den Grundzügen der Strömungslehre auseinandersetzen und Sie lernen, was man braucht, um die Leistung einer Pumpe zu berechnen.

Teil V: Chemische Prozesse – ganz schön interdisziplinär

Bei einem chemischen Prozess muss man den Überblick bewahren. Den brauchen Sie, um eine Anlage zu bauen und auch, um sie zu betreiben. Verschiedene Fließbilder sorgen dafür, dass zu gegebener Zeit das Richtige getan werden kann. Einer der komplexesten Prozesse, den die Chemische Industrie zu bieten hat, ist die Aufarbeitung von Erdöl mit anschließender Herstellung von chemischen Grundstoffen, die die Chemiker mit »Nahrung« versorgen. Sie erfahren, woher unsere Treibstoffe kommen und was ein Steamcracker macht. Zum Schluss wird die Vergrößerung von einem kleinen in einen größeren Maßstab – das sogenannte Scale-up – erwähnt. Hier wird es schnell sehr speziell. Es geht darum, dass Sie eine Idee bekommen, was man dabei prinzipiell tut.

Teil VI: Der Top-Ten-Teil

Hier geht es um Chemikalien, die die Welt verändern - in richtig großen Mengen produziert.

Anhang

Damit Sie wichtige Begriffe, Symbole und Abkürzungen rasch nachschlagen können, gibt es in diesem Buch einen Anhang.

Symbole und Abkürzungen

Die Bildsprache der Technischen Chemie ist übersät mit diversen Indizes, so sehr, dass man manchmal den Überblick über eine Gleichung verlieren kann. Sie sind notwendig, um die Einflussgrößen voneinander abzugrenzen oder in einen zeitlichen Rahmen zu stellen; was sind die Einsatzstoffe, welche Spezies sind damit verbunden usw. Das Schlimme ist, dass es da keine internationalen Verordnungen gibt, wie wann was zu benennen ist, und Sie finden in verschiedenen Büchern häufig unterschiedliche Bezeichnungen. Deshalb gibt es eine Liste, wie das in diesem Buch gehandhabt wird. Hier können Sie nach Belieben nachschauen, wenn Ihnen mal eine Größe suspekt vorkommt.

Glossar

Hier finden Sie einige Begriffe aus der chemischen Technologie, die ihnen teils in diesem Buch begegnen, die Sie aber vielleicht auch in einem anderen Zusammenhang gehört haben. Sie können in dieser Liste nachschauen, wenn Sie etwas Begriffsklärung wünschen. Auf keinen Fall wird hier irgendein Anspruch auf Vollständigkeit erhoben.

Übungsaufgaben

… gibt es in diesem Buch mit Absicht nicht. Die Aufgaben sind so vielfältig, dass es ein reiner Glücksfall wäre, wenn ich genau eine Problemstellung erwischen würde, die Sie gerade bewegt. Wären die Aufgaben für den einen Leser zu allgemein (weil vielleicht eine detaillierte Berechnung auf den Nägeln brennt), würden Beispiele aus der technischen Alltagsrealität wahrscheinlich diejenigen Leser überfordern, die erst einmal nur die Grundlagen verstehen wollen. Da ich es in diesem Punkt unmöglich jedem recht machen kann, habe ich beschlossen, Sie mit Übungsaufgaben zu verschonen. Dafür gibt es an geeigneter Stelle immer wieder Beispiele, die das Thema verdeutlichen.

Wie es weitergeht

Am besten gleich mit Teil I. Wenn Sie keine langen Vorreden brauchen, können Sie auch gleich in Teil II einsteigen. Oder Sie suchen sich ein Thema und lassen sich anhand der vielen Verweise durch das Buch leiten.

Teil I

Technische Chemie – ein bisschen kennen Sie schon

IN DIESEM TEIL …

gibt es ein wenig Überblick, was Sie erwartet, wenn Sie sich mit diesem für Sie vielleicht neuen Thema auseinandersetzen wollen.

Mit einem gewissen Grundstock an mathematischem Vorstellungsvermögen haben Sie bessere Chancen, in die Geheimnisse der einzelnen Gebiete vorzudringen, denn was soll sonst ein eigenes kurzes Kapitel mit dem wichtigsten formalen Rüstzeug gleich zu Beginn dieses Buches? Dort können Sie auch immer nachschlagen, wenn es mal irgendwo hakt. Es geht in diesem Buch nicht darum, komplizierte Gleichungen zu lösen, sondern vielmehr darum, Sachverhalte korrekt darzustellen, damit Sie verstehen, welche verschlungenen Wege und genialen Überlegungen genutzt werden, wenn Chemiker technische Probleme beschreiben.

Im Begriff »Technische Chemie« steckt ja auch »Chemie« drin. Selbst wenn Sie mitunter den Eindruck gewinnen, diese sei zur Nebensächlichkeit degradiert, geht es ja letztendlich immer darum, chemische Reaktionen zu realisieren. Wie Chemie funktioniert, wissen Sie vielleicht; in diesem Teil werden daher nur die wichtigsten Grundlagen, die Sie benötigen werden, zusammengefasst, denn ohne chemische Kenntnisse können Sie auch keine Technische Chemie verstehen und betreiben.

Kapitel 1

Was ist Technische Chemie?

IN DIESEM KAPITEL

nimmt die Chemische Industrie ihren Platz ein

treffen sich Chemiker und Ingenieure

wird das Bruttosozialprodukt gesteigert

Die Technische Chemie ist ein Teilgebiet der Chemie, so wie die Anorganische Chemie, die Organische Chemie, die Physikalische Chemie oder die Biochemie. Diese Einzeldisziplinen können Sie natürlich nicht strikt voneinander trennen, als hätten sie nichts miteinander zu tun. Das gilt erst recht für die Technische Chemie, geht es doch hier darum, aus klein groß zu machen, oder aus wenig viel – was auch immer das Kleine oder Wenige im Einzelfall sein mag. Ein Chemiestudium beginnt daher auch nicht mit Technischer Chemie, denn für dieses Teilgebiet sind schon einige chemische Vorkenntnisse erforderlich. In der Technischen Chemie werden Sie dann aber mit allen Facetten der Chemie konfrontiert, die Ihnen schon als Lernstoff begegnet sind. Auch mit solchen, wo Sie sich vielleicht gefragt haben, wofür Sie das denn lernen mussten (dazu gehören nun mal auch Physik und Mathematik). Die Technische Chemie bringt gewissermaßen die zahlreichen komplexen Inhalte eines Chemiestudiums in einen großen, praxisrelevanten Kontext ein, denn es soll ein chemischer Prozess daraus entstehen.

Standortbestimmung

Chemischen Verfahren ist gemeinsam, dass eine chemische Reaktion stattfindet. Woran denken Sie, wenn Sie den Begriff »Technische Chemie« hören?

an die Chemische Industrie

So wie es die Automobilindustrie gibt, gibt es auch die Chemische Industrie. Die Automobilindustrie produziert Autos, ist ja logisch, werden Sie denken. Aber was genau passiert eigentlich in der Chemieindustrie? Sie produziert viele Stoffe, deren Bedeutung im Alltag sich für Sie oft nicht einfach erschließt, zum Beispiel die Schwefelsäure. Brauchen Sie etwa Schwefelsäure (außer für Ihre Autobatterie)? Dabei ist sie eine der weltweit am meisten produzierten Chemikalien. Natürlich nicht um der Schwefelsäure Willen, sondern als Reaktionspartner für andere Stoffe, die oder deren Folgeprodukte Sie dann irgendwann tatsächlich gut gebrauchen können. Und dann die vielen Produkte mit solch unaussprechlichen Namen wie [1,2-Bis(ethoxycarbonyl)ethyl]-O,O-dimethyldithiophosphat oder N-(4-Hydroxyphenyl)acetamid – außer im Spezialhandel für chemische Grundstoffe können Sie die sowieso nirgendwo erwerben. Aber natürlich verbergen sich hinter den (vom Marketing ausgedachten, leicht zu merkenden und einprägsamen) Bezeichnungen für Medikamente, Haushalts- oder Desinfektionsmittel usw. gerade die Chemikalien, die Sie tagtäglich nutzen.

an große Anlagen

Vornehmlich auf Autobahnen und Schnellstraßen fahren Sie mitunter an riesigen Komplexen mit Türmen, Rohren und allerlei Konstruktionen vorbei, die Sie auf den ersten Blick nur bestaunen können, ohne sich im Einzelnen darüber klar zu sein, wofür das alles gut sein soll. Manche Menschen entdecken in diesen Anlagen eine interessante Ästhetik, viele andere finden den Anblick abschreckend und fahren möglichst schnell daran vorbei. Ich gehöre natürlich zu der ersten Kategorie und hätte nichts dagegen, eine Wand meines Wohnzimmers mit einer entsprechenden Fototapete zu schmücken (aber meine Mitbewohner haben ja auch noch ein Wörtchen mitzureden).

an große Mengen

So große Anlagen müssen natürlich auch große Mengen produzieren, sonst könnte man ja auch alles im Labor belassen. Hier wird nicht von Gramm-Mengen gesprochen, sondern von Tonnen. »tato« ist beispielsweise eine Abkürzung, die Ihnen bisher wahrscheinlich nicht so geläufig ist, es handelt sich um die Abkürzung für »Tagestonnen«, also eine Tonne oder mehr von einem Produkt, die an einem einzigen Tag hergestellt wird! Das muss man sich mal vorstellen.

an Maßstabsübertragung, das sogenannte Scale-up

Hier ist schon ein wenig Weitblick erforderlich, wenn Sie sich vorstellen, dass Sie es ja irgendwie schaffen müssen, das, was Sie im Kleinen im Labor hinbekommen haben, in einem viel größeren Maßstab herzustellen. Nicht nur die Produktionsmengen sind entsprechend zu vergrößern, sondern auch die Gerätschaften – und ob das immer so problemlos funktioniert?

aber auch an Umweltschäden, Katastrophen, Verseuchung

Das ist die »böse« Chemie, mit der Sie lieber nichts zu tun haben wollen. Der Chemieindustrie hatten wir in der Vergangenheit schon viele vergiftete Flüsse, tote Tiere und Pflanzen und Luftschadstoffe zu verdanken. Danach waren manchmal ganze Gebiete jahrelang nicht betretbar, von menschlichem und tierischem Leid ganz abgesehen. Trotz enorm verbesserter Sicherheitsvorkehrungen ist das auch heute nicht ganz ausgeschlossen, doch niemand möchte, dass irgendwo auch nur eine kleine Anlage in die Luft fliegt und Menschen und Umwelt dabei zu Schaden kommen. Und die Stoffe, die in der Chemieindustrie umgesetzt werden, sind nicht weniger gefährlich geworden. Die Auflagen und Bestimmungen, ein bestimmtes Produkt herzustellen und eine entsprechende Anlage dafür zu betreiben, sind jedoch inzwischen außerordentlich hoch, und ihr Betrieb bedarf umfangreicher Genehmigungen, um Gefahren auszuschließen. Eine 100-prozentige Sicherheit wird es nicht geben, aber wo gibt es die schon?

Die Technische Chemie liefert das wissenschaftliche Fundament, das chemischen Produktionsverfahren zugrunde liegt:

Entwicklung von Verfahren

Übertragung in den technischen Maßstab

Betrieb von Produktionsanlagen

Ein Leben ohne Chemie?

Ohne Zweifel spielt die Chemische Industrie eine wichtige Rolle in unserer Zivilisation und unserem gesamten Leben. Am Bruttosozialprodukt der Industrieländer hat sie einen bedeutenden Anteil. Stellen Sie sich mal vor, Sie müssten auf so gängige Produkte wie Haarwaschmittel, Gummistiefel, Klarsichtfolie, Kühlschränke, Babywindeln, Dispersionsfarben, Plastikeimer, Regenschirme oder Kunstfasern verzichten (da ist bestimmt etwas dabei, was auch Sie gebrauchen). Das wäre so, als wenn von heute auf morgen der Strom ausfallen würde. Auf einmal müssten Sie Ihr Leben ganz anders organisieren, denn wir haben uns von der allgegenwärtigen Verfügbarkeit des elektrischen Stroms völlig abhängig gemacht. Genauso geht es uns mit vielen Produkten, die der Chemischen Industrie entstammen. Sie machen sich keine Gedanken und Sorgen, woher sie kommen – sie sind einfach da. Es fällt eigentlich erst auf, wenn sie nicht da sind. Stellen Sie sich vor, Sie fahren zu einer Tankstelle und es gibt kein Benzin – was geht dann alles nicht? Sie können nicht mehr einkaufen, kommen nicht mehr zur Arbeit und müssen nach Hause laufen. Haben Sie sich schon einmal vor Augen geführt, welche Prozesse zusammen funktionieren müssen, damit der Treibstoff aus der Tanksäule fließen und ihr Auto antreiben kann? Die Vorstellung, dass es irgendwo Millionen Jahre alte Erdölreservoire gibt, aus denen das Benzin letztendlich stammt, hilft hier in der Praxis des Alltags nicht wirklich weiter.

So ist es aber mit vielen Stoffen, die wir für unser tägliches Leben zu benötigen glauben; wir können uns darauf verlassen, dass sie da sind, wenn wir sie brauchen. Daran haben wir uns in der industriellen Welt gewöhnt. Diese Produkte garantieren unseren Lebensstandard. Natürlich ist das nicht überall auf der Welt selbstverständlich, das wissen Sie auch. Nicht einmal das saubere Trinkwasser, das für uns in akzeptabler Qualität wie selbstverständlich aus den Wasserhähnen fließt, ist jedem auf unserer Erde vergönnt. Noch haben wir hier einen gesetzlichen Anspruch auf sauberes keimfreies Trinkwasser, von dem wir nicht krank werden – ein Anspruch, der allerdings in der Regel mithilfe von biochemischen und physikalischen Prozessen in den Klärwerken eingehalten werden kann. Und wer sich an eventuellen chemischen Zusätzen stört, kann sein Trinkwasser mit entsprechenden technischen Filteranlagen, die es auch für den Küchengebrauch gibt, zusätzlich reinigen. Ob das was nützt, außer dass dabei der Grundpreis für einen Kubikmeter Wasser um ein Vielfaches steigt, ist eine Geschmacks- und Glaubensfrage. Aber auch diese Filter und deren Gehäuse müssen erst einmal hergestellt werden und geben vielleicht wieder Substanzen ab, die vorher nicht im Wasser vorhanden waren. Es hilft alles nichts – das Leben, wie wir es gewohnt sind und in das wir hineingeboren werden, läuft ohne die chemische Industrie nicht. Überhaupt nicht!

Technische Chemie ist anders

Die Technische Chemie geht ohne die »richtige« Chemie natürlich nicht. Aber wenn Sie denken, Sie könnten das, was Sie von der Chemie aus dem Labor kennen, lediglich in größerem Maßstab ausführen – so einfach ist es nun doch wieder nicht. Die Stoffe verhalten sich im großen Maßstab häufig ganz anders als im kleinen. Was Sie in einem kleinen Reaktionsgefäß im Blick haben, kann Ihnen im großen Reaktor völlig außer Kontrolle geraten. Ein großer Reaktionsansatz verhält sich in der Regel viel komplexer als ein kleiner, nicht zuletzt, weil es hier aufgrund der größeren Anzahl an Teilchen auch viel mehr Möglichkeiten gibt, was diese miteinander anstellen können (denken Sie nur einmal an eine Party mit fünf oder fünfzig Teenagern). Ein doppelt so großer Ansatz ist nicht doppelt so komplex. Für ein Puzzle aus 1000 Teilen benötigen Sie (wenn Sie gut sind), vielleicht einen Tag – aber ein Puzzle mit 2000 Teilen werden sie dann sicherlich nicht in zwei Tagen schaffen, sondern viel länger brauchen; denn die Komplexität wächst nun einmal auch hier nicht linear. Und ein technischer Reaktionsansatz kann viele hundert bis tausend Mal so groß sein wie ein kleiner.

Das hat natürlich Folgen für die Durchführung von chemischen Reaktionen im großen Maßstab, denn nicht nur die Größe der Reaktionsmasse ändert sich, sondern auch das Behältnis, in dem sie sich befindet. Die technischen Reaktionsgefäße haben oft mit denen im Labor nicht mehr die geringste Ähnlichkeit. Manchmal ist es günstig, die Reaktion in einem großen Kessel ablaufen zu lassen oder die Reaktionsmasse in eine sequenzielle Abfolge von Reaktionsgefäßen aufzuteilen (sieheKapitel 8). Häufig muss die Kühlung ausgelagert werden, weil ein Gefäß diese nicht mehr bewältigen kann; der Grund ist im veränderten Verhältnis von Volumen zu Oberfläche zu suchen (sieheKapitel 4). Mal ist es gut, die Ausgangsstoffe und Produkte miteinander zu vermischen, mal ist es besser, sie voneinander fernzuhalten oder ein Mittelmaß einzustellen. Und überhaupt brauchen die Teilchen Zeit, um einander zu finden (das müssen sie ja, sonst können sie nicht miteinander reagieren). Es sind also Wegstrecken zurückzulegen, die nicht mehr vernachlässigt werden können (sieheKapitel 5). Schnell haben Sie Probleme mit der Durchmischung Ihrer Reaktionsmasse, denn so eine Rühreinrichtung wie in der Laborschublade gibt es »in groß« oft gar nicht. Dazu kommen noch die ganzen verfahrenstechnischen Notwendigkeiten, die ein solches Ausmaß annehmen, dass die eigentliche Reaktion, um die es geht, häufig darin (zumindest optisch) verschwindet.

Sie haben es in technischen Ansätzen mit Dingen zu tun, die häufig im Labor so gut wie gar keine Rolle spielen, und über die Sie sich im Labor überhaupt keine Gedanken machen (müssen).

Was die Chemische Industrie ausmacht

Verfahren, die mit Stoffumwandlung zu tun haben, gibt es nicht nur in der Chemischen Industrie, sondern auch in anderen Industriezweigen, so in der Hüttenindustrie, Zementindustrie, Lebensmittelindustrie. Somit ist eigentlich alles Chemie. Für die Betrachtung chemischer Prozesse ist es zweckmäßig, die »richtige« Chemische Industrie von den anderen abzugrenzen. Diese Abgrenzung erfolgt mehr nach praktischen Gesichtspunkten. Es gibt eine Reihe von Besonderheiten, die für die Chemische Industrie bezeichnend sind:

Chemieanlagen sind speziell auf die darin ablaufenden chemischen Reaktionen hin konzipiert. Schon beim äußeren Anblick der Anlagen erkennen Sie, dass eigentlich keine Anlage so aussieht wie die andere. Die Vielfalt wird noch dadurch erhöht, dass es für viele Produkte mehrere Herstellungswege und dementsprechend mehrere Prozesse gibt.

Chemische Produktionsanlagen sind durch hohe Komplexität gekennzeichnet. Die Produktionsanlagen bestehen aus vielen Einzelelementen, besonders bei kontinuierlicher Prozessführung.

Sie erhalten in der Regel nicht nur das gewünschte Produkt, sondern je nach Reaktionssystem auch Stoffe, die Sie nicht haben wollen; diese entstehen durch vielerlei Arten von Nebenreaktionen.

Von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, dass in chemischen Produktionsanlagen häufig mit gefährlichen Stoffen hantiert werden muss. Das Gefahrenpotential kann quantitativ und qualitativ sein. Die Ursachen dieser Gefährdungen liegen meist in der Natur der eingesetzten Stoffe:

Toxizität

Brennbarkeit

Explosionsfähigkeit

Zersetzlichkeit

Um eine chemische Produktionsanlage sicher zu betreiben, ist es notwendig, diese Eigenschaften und die durch sie bedingten Gefahren zu beherrschen. Die gefährlichen Eigenschaften können aber auch außerhalb der Chemieanlage wirken, zum Beispiel auf die Umwelt. Nicht nur die Herstellung von chemischen Produkten in Chemieanlagen kann durch Emission einen schädlichen Einfluss auf die Umwelt haben, sondern auch die Verwendung chemischer Produkte. Sicherheit und Umwelt hängen sehr eng zusammen. Heutzutage kommt den Wirkungen chemischer Produkte auf die Umwelt große Bedeutung zu. Diese Problematik wird in einem eigenen Gebiet, der Umweltchemie, behandelt, auf die wir hier nicht näher eingehen wollen.

Vor der Durchführung einer chemischen Reaktion im technischen Maßstab sind zu klären:

Physikalisch-chemische Fragestellungen

Welches sind geeignete Betriebsbedingungen unter Berücksichtigung von Thermodynamik und Kinetik – etwa wie selektiv ist die Reaktion; wie hoch sind die zu erwartenden Ausbeuten?

Technisch-chemische Fragestellungen

In welchem Reaktionsapparat soll die chemische Reaktion stattfinden; wie werden die Stoffe auf die Reaktion vorbereitet und nach der Reaktion aufbereitet; welche Sicherheitsvorkehrungen sind zu treffen; wie werden Abfallstoffe entsorgt?

Ökonomische Fragestellungen

Wie Sie wissen, ist Gewinn = Erlös minus Herstellungskosten. Die Kosten für einen chemischen Prozess samt Entwicklung, Anlage und Personal sind in der Regel ziemlich hoch; es muss schon ein ordentlicher Erlös erwirtschaftet werden, um Gewinn zu machen (das ist natürlich das wichtigste Anliegen der Industrie).

Gibt es Kommunikationsprobleme?

Menschen, die in einem chemischen Labor zusammen arbeiten, würden Schwierigkeiten haben, wenn sie nicht wüssten, was Bechergläser, Erlenmeyerkolben, Spatel, Heizpilze, Pipetten, Büretten, Abdampfschalen oder Magnetrührer sind. Genauso wenig könnten sie ihre Arbeit machen, wenn sie nicht titrieren, abnutschen oder eine Ausbeute berechnen könnten. Das alles haben sie gelernt, denn es sind meist Chemiker, Chemielaboranten, Chemisch-technische Assistenten (CTAs). In der Regel sind die Gerätschaften übersichtlich und handlich, werden in Schubladen oder Schränken aufbewahrt, wo sie nach Bedarf herausgeholt werden. Jeder mit entsprechenden Kenntnissen wird in der Lage sein, einen geeigneten Versuchsaufbau auf dem Labortisch zu errichten. Genug Platz ist in der Regel vorhanden, denn die Mengen, mit denen hantiert wird, sind nicht gerade groß. Eine organische Synthese findet häufig in einem Glas-Rundkolben mit 100 bis 500 mL Volumen statt. Selbst wenn es mal zwei Liter sein sollten (was im Labor schon richtig viel ist), ist das jedoch lächerlich wenig gegenüber einem Ansatz im großtechnischen Maßstab.

In technischen Betrieben haben Sie es neben Chemikern und Laboranten stets mit Chemikanten, Chemotechnikern und Chemieingenieuren zu tun, deren Ausbildung einen erheblichen Anteil an verfahrenstechnischen Kenntnissen vermittelt. Häufig wird jedoch nicht die gleiche Sprache gesprochen, denn Labor und Betrieb sind halt verschiedene Welten. Es ist nicht sicher, dass ein Chemikant weiß, was ein Schlenk-Rohr oder ein Kjeldahl-Kolben ist, dagegen werden Chemiker und Laboranten vielleicht bei den Begriffen Streichdampf oder Gegenstrom-Extraktion die Augen verdrehen. Das, was in einem Chemiebetrieb stattfindet, hat in der Regel aber seinen Ursprung in einem Labor, denn was im Kleinen schon nicht funktioniert, kann ja im Großen nicht besser werden. Im Gegenteil: hier gibt es häufig Probleme, die im Labor nicht auszumachen sind. Das liegt an der großen Menge, an den Apparaten, an den Produktionsbedingungen. Trotzdem müssen eventuell auftretende (Kommunikations-)Schwierigkeiten gelöst werden, und da kommt man manchmal nicht recht zusammen, wenn der Techniker den chemischen und der Chemiker den technischen Hintergrund nicht versteht. Ein Chemiker, der sich mit Verfahrenstechnik zumindest etwas auskennt, kann da durchaus Pluspunkte sammeln und wird bei der Lösung eines auftretenden Problems auch ernstgenommen.

Sie werden im Laufe der folgenden Kapitel immer wieder mit Begriffen umgehen, die vermutlich bisher noch nicht zu Ihrem Wortschatz gehören. Und Sie werden (für einige vielleicht mit Entsetzen) mitunter seitenlang Formeln und Gleichungen entdecken, mit denen Sie auf den ersten Blick nichts zu tun haben möchten. Riskieren Sie einen zweiten Blick, dann merken Sie, dass alles gar nicht so schlimm ist, wie es aussieht, denn eines will dieses Buch nicht: irgendwelche Berechnungsformeln in die Welt setzen, ohne Ihnen die Möglichkeit zu geben, immer nachzuvollziehen, wie Sie zu diesen gelangen. Und dazu ist es manchmal nötig, sich durch vertiefende Ausführungen oder partielle Differentialgleichungen durchzubeißen und zu erkennen, wo an der Realität Abstriche gemacht werden müssen, damit Sie überhaupt etwas berechnen können und welche Folgen das dann hat.

Keine Sorge – auch wenn Sie hin und wieder mit kompliziert aussehenden Differentialgleichungen konfrontiert werden: diese sollen im Kontext die jeweilige Problematik untermauern, sie sollen in diesem Buch nicht gelöst, aber wenigstens mathematisch richtig hingeschrieben werden. Sie werden sehen, dass Sie trotz erheblicher Vereinfachungen viele chemisch-technische Aufgabenstellungen verstehen und bewältigen können.

Ein bisschen Statistik

Die Zahlen, welche die wirtschaftliche Situation beschreiben, ändern sich von Jahr zu Jahr, deshalb können die Daten, die aus den Jahren 2010 bis 2016 stammen, Ihnen nur eine ungefähre Größenordnung vermitteln.

Die Chemische Industrie ist weltweit ein bedeutender Wirtschaftsfaktor. Nicht alle Länder beteiligen sich daran, denn 70 % der globalen Umsätze werden von nur zehn Ländern bestritten. Allen voran hält China knapp 40 % des Weltchemieumsatzes mit steigender Tendenz; das war nicht immer so und bereitet den übrigen Industrieländern auch einige Kopfschmerzen. Es folgen die USA mit 16 % und dann Deutschland und Japan mit je 4 %. Abbildung 1.1 zeigt einen Vergleich der fünf größten Chemienationen.

Abbildung 1.1: Anteile am Weltchemieumsatz

Viel Chemie läuft in außerordentlichgroßen Firmen ab, wobei die Firmenstrukturen einem stetigen Wandel unterworden sind; es gibt also immer wieder Änderungen beim »wer mit wem«. Die Firmen haben ihre Größe natürlich nicht nur allein durch Produktionswachstum erreicht, oft spielen auch Zusammenschlüsse und Übernahmen eine Rolle.

Der größte Zusammenschluss in der Geschichte der Chemischen Industrie erfolgte 1925 in Deutschland mit der Gründung der IG Farben aus sechs großen Chemiefirmen. Am Ende des 2. Weltkriegs wurden die IG Farben von den Alliierten aufgelöst; aus den in der BRD vorhandenen Anteilen wurden die Nachfolgegesellschaften BASF, Bayer und Hoechst gegründet, von denen Hoechst inzwischen nicht mehr besteht.

Die BASF ist seit Jahren ungeschlagen das größte Chemieunternehmen weltweit – aber wie lange noch? Das Fusionsfieber bricht immer wieder aus und es war und ist Bewegung auf dem Weltmarkt. Große Firmen haben eine Reihe von Vorteilen:

Möglichkeit zur Verbundwirtschaft

Hoher Einsatz an Investitionskapital (Chemieanlagen sind ausgesprochen kapitalintensiv)

Auf schnellen Wandel kann flexibler reagiert werden

Eigene Abteilungen für Forschung und Entwicklung

Möglichkeit zur Spezialisierung, zum Teil im Ausland

Für jede Aktivität auf dem Weltmarkt haben große Unternehmen wesentlich bessere Voraussetzungen (große Finanzkraft, weitgespannte Vertriebsorganisationen).

Alle

großen Chemiefirmen sind bis zu einem gewissen Grad internationale Organisationen.

Demnach ist die Chemische Industrie stark durch internationale Konzerne geprägt. Der überwiegende Teil der Produktion und Verarbeitung findet jedoch in mittelständischen Unternehmen statt. Deshalb spielen neben den Großfirmen natürlich auch mittlere und kleine Firmen in der Chemiewirtschaft eine wichtige Rolle; bevorzugte Tätigkeitsfelder sind Spezialprodukte und Feinchemikalien.

Entsprechend der Vielfalt der Produkte ist auch der Kreis der Abnehmer groß. Die Chemische Industrie ist mit einem erheblichen Teil des Absatzes ihr eigener Kunde. Das wundert nicht, denn Feinchemikalien und Spezialprodukte sind häufig die Endprodukte eines Herstellungswegs. Benötigte Vorprodukte werden hauptsächlich von größeren Firmen bezogen, aber auch größere Chemiefirmen sind sich gegenseitige Kunden.

Schauen wir auf unser Land

In Deutschland sind etwa 446 000 Menschen in der Chemieindustrie beschäftigt; dazu kommen bestimmt noch einmal so viele Dienstleister und Zulieferer, die indirekt auch dazugezählt müssen. Es gibt etwa 2000 Unternehmen in der Chemiebranche, davon entfallen 90 % auf kleine und mittlere Unternehmen, die sogenannten KMU, die 30 % des gesamten Umsatzes erwirtschaften. Das heißt, ganz schön viel Chemie wird in Großunternehmen gemacht. Die Chemiebranche ist in der Tat durch einen vergleichsweise hohen Anteil an Großbetrieben gekennzeichnet; 40 % der Beschäftigten arbeiten in Betrieben mit mehr als 1000 Mitarbeitern. (Ganz nebenbei sei bemerkt, dass der Durchschnittsverdienst in der Chemieindustrie unangefochten eine Spitzenreiterrolle einnimmt.)

Auch in Deutschland mischt die Chemie ganz oben mit, nur die Auto- und Maschinenbauindustrie kann noch mehr Umsatz aufweisen. Hierzulande werden 20 Millionen Tonnen Einsatzstoffe pro Jahr umgesetzt. 75 % davon stammen aus dem Erdöl, der Rest aus Erdgas, Kohle und immerhin bereits um die 13 % aus nachwachsenden Rohstoffen.

Chemiebetriebe können auch räumlich ganz schön groß sein. Oft gibt es hunderte von Produktionsanlagen an einem Standort. Die brauchen Platz und demzufolge sind die benötigten Flächen auch entsprechend groß, fast wie eine Kleinstadt. Viele Dinge müssen hin- und hertransportiert werden. Nehmen wir beispielsweise die BASF; am Standort Ludwigshafen gibt es auf 10 km2 Werksgelände 106 km Straßen, 230 km Schienen und 2800 km Rohrleitungen.

Kapitel 2

Die drei wichtigsten Säulen der Technischen Chemie

IN DIESEM KAPITEL

sehen wir die chemische Reaktion im technischen Kontext

… und eingebettet in eine Fülle von Verfahrenstechnik

ist alles zum Schluss eine runde Sache

Die ersten Ansätze einer chemischen Technik gab es schon im Altertum. Damals ging es jedoch in erster Linie um Stoffe, die aus der Natur gewonnen wurden, um sie für den Menschen nutzbar zu machen – Fette und Öle, Farbstoffe, pflanzliche Arzneistoffe, Harze oder Kautschuk. Viel später wurden bestimmte Naturstoffe in größerem Stil systematisch gefördert und aufbereitet, um sie direkt zu nutzen oder zu verändern – die gewonnenen Rohstoffe und deren Teilprodukte wurden also für chemische Reaktionen eingesetzt. Das erforderte neue Apparate, in denen diese Umsetzungen zum gewünschten Erfolg führten. Und Personal war nötig, das diese Apparate bedienen konnte und genug Kenntnis von der Sache hatte, um die erforderlichen Betriebsbedingungen ermitteln, einstellen und notfalls anpassen zu können. Gefahren mussten rechtzeitig erkannt und möglichst vermieden werden, obwohl man es zu der Zeit mit dem Umwelt- und Personenschutz noch nicht ganz so eng sah.

Auch die Geografie spielte immer eine wichtige Rolle bei dieser Entwicklung. In der einen Gegend gab es Kohle, in einer anderen vielleicht Eisenerze oder Öle und Fette in größeren Mengen, die als Rohstoffe gewonnen und in speziellen Anlagen verarbeitet werden sollten. Die zunehmend prosperierende Chemische Technik zeigte sich vielseitig und brachte mit der Zeit eine unüberschaubare Anzahl an Apparaten und Anlagen zum Vorschein, die für chemische Vorgänge zum Einsatz kamen. Komplizierte technische Sachverhalte und Zusammenhänge führten dazu, dass das Fach »Technische Chemie« schon vor über 100 Jahren an verschiedenen Hochschulen gelehrt wurde. Dabei war es schon damals unmöglich, sich mit allen Verfahren vertraut zu machen, zumal es immer mehr wurden. Sicherlich wurde zu diesem Zeitpunkt auch noch viel ausprobiert.

Die Hochschulen, an denen die Technische Chemie angeboten wurde, mussten sich deshalb entscheiden, welche Prozesse sie in ihrer Lehre unterbrachten, wobei die lokalen Gegebenheiten häufig ausschlaggebend waren. Es gab sicherlich eine exzellente Ausbildung dafür, die Prozesse und Anlagen eines ganz bestimmten Themengebietes zu beherrschen. Aber an jedem Studienort wurde praktisch etwas anderes gelehrt.

Ordnung in die Sache bringen

In den 1950er Jahren setzte ein Kurswechsel ein. Die Erkenntnis, dass viele chemische Prozesse, so unterschiedlich die umgesetzten Stoffe und die verwendeten Apparate auch waren, in einigen wesentlichen Punkten den gleichen Gesetzmäßigkeiten gehorchten, führte zu Modellvorstellungen, die solche allgemeinen Abhängigkeiten auf verschiedene Verfahren anwendbar machten. Und wenn das so war, konnten die Erkenntnisse aus einem Prozess auf einen anderen Prozess übertragen werden, ja es konnte sogar im Voraus berechnet werden, mit welchem Erfolg ein Prozess gekrönt sein würde, ohne dass er vorher durchgeführt wurde. Dieser Ausblick war sensationell, und schnell fühlten sich Leute auf den Plan gerufen, die dem bisher entstandenen chemisch-technischen Durcheinander ein Ende setzen wollten. Die Erkenntnisse wurden systematisiert und führten zu Konzepten für die Technische Chemie, mit denen theoretisch fundierte Grundlagen zur Beschreibung von chemischen Verfahren entstanden. Diese Konzepte haben die Chemische Technik enorm vorangebracht, was die Effizienz und Durchführbarkeit anging.

Entwickler konnten nun theoretisch Strömungsverhältnisse in Reaktoren angeben, optimale Reaktionsführungen ermitteln, also beispielsweise Temperatur- und Druckverläufe einer Reaktion anpassen, Umsatz und Selektivität einer Reaktion unter bestimmten Reaktionsbedingungen berechnen und ganze Prozesse mit geeigneten Methoden simulieren, was natürlich mit der ständig komplexer werdenden Rechnertechnologie immer sinnvoller und exakter wurde. Die Beschäftigung mit diesen Konzepten bewirkte eine starke Hinwendung zu mathematischen Methoden.

Was waren das in erster Linie für Leute, die sich mit diesen Dingen beschäftigten? – Ingenieure, Verfahrenstechniker, Mathematiker, Physiker. Es waren meist keine Chemiker, was nicht heißen soll, dass diese Konzepte nicht exzellent waren. Aber die Modellvorstellungen waren häufig von der stofflichen Chemie völlig abstrahiert, und Stoffe weisen nun mitunter einfach Eigenschaften auf, die sich nicht exakt vorhersagen lassen. Chemiker bringen da hingegen ein »chemisches Gefühl« mit, sowohl in ihrer Denkweise als auch handwerklich, was den reinen Theoretikern zunächst völlig abging. Deswegen passte manches nicht zusammen. Auch das schönste Modell kann schiefliegen, wenn »die Chemie« nicht stimmt.

Es vergingen etwa 20 Jahre, bis aus den ersten Modellvorstellungen und den praktischen Aspekten der Umsetzbarkeit eine wirklich »runde Sache« wurde.

Das Ergebnis ist die heutige Technische Chemie, die auf folgenden drei wichtigen Säulen (Abbildung 2.1) ruht, mit denen sich chemische Prozesse klassifizieren und quantifizieren lassen:

Abbildung 2.1: