Praxiswissen der chemischen Verfahrenstechnik: Handbuch für Chemiker und Verfahrensingenieure

691 Pages·2005·7.69 MB·German

by  Prof. Dr. Daniel S. Christen (auth.)

Chemische Technik/ Verfahrenstechnik
Daniel S. Christen
Praxiswissen
der chemischen
Verfahrenstechnik
Handbuch für Chemiker und Verfahrensingenieure
123
123
Prof. Dr. Daniel S. Christen
Berner Fachhochschule
Hochschule für Technik und Informatik
Pestalozzistr. 20
3400 Burgdorf
Switzerland
[email protected]
isbn 3-540-40322-1 Springer Berlin Heidelberg New York
Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der
Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische
iDsabtenn s i3n-d5 i4m0 I-n4te0rn3e2t 2ü-b1e rS <phrttipn://gdenrb .dBdebr.dlei>n a Hufreuifdbaerlberg New York
Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des
Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder
Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek
Ddeire VDeeruvtiseclhfäel tBigibulniogt haeukf vaenrdzeeriechnn Wete dgeiens eu Pnudb dliekra Stipoeni cihne dreurng in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur
Dauesuztusgchswene iNseart iVoenrawlberibtulinogg,r vaofireb; edheataltiellnie. Ertien eb iVbelriovgierlaffäilstcighueng dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im
Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutsch-
Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> aufrufbar
land vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwi-
Ddeirehseasn Wdleurnkg iesnt uurnhteerbleiergreecnh dtleinch S tgreasfcbheüsttzimt. Dmiuen dgaednu drcehs Ubrehgerübnerdreetcehnt sRgeecshettez,e isn.sbesondere die der Übersetzung, des
Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder
dSperr iVnegrevri eisltfä elitnig Uunntge ranuef hamndeenr venon W Sepgreinn guenr dS cdieern cSep+eBicuhseirnuensgs Mine Ddiaatenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur
springer.de
auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im
E©i nSpzerlifnaglle nr-uVre irnl adge nB eGrrleinn zHeeni ddeelrb geersge 2tz0l0ic5hen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutsch-
lParnindt veodm in 9 G. Seerpmteamnyber 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwi-
derhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch
Sophrnien bgeesro isntd eeirne UKnetnenrzneeihcmhneunn vgo nni cShptr zinug deerr S Acniennachem+Be,u dsainße ssosl Mcheed Niaamen im Sinne der Warenzeichen- und Marken-
sspchriuntgze-Gr.deseetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.
©So Sllpter iinng derie-Vseemrla Wg eBrekr ldinir Heketi doedlebre irngd 2i0re0k5t auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI,VDE) Bezug ge-
Pnroimntmede nin o Gdeerrm auans yihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für Richtigkeit, Vollständigkeit oder
DAkiet uWaliietdäte ürgbaebren evhomn eGne. bErsa eumchpsfnieahmlte snic, hH, gaengdeeblsennaemnfeanll,s W füarr denieb eeizgeeinchenn uAnrgbeenit euns wdi. ei nv odllisetsäenmd iWgeenr kV obresrcehcrhifttiegnt aoudcehr
Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen.
ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Marken-
sScahtzu:t Az-uGtoerseentzdgaetbenu,n Cgo amlsp furetei rz tuo b peltartaechten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.
SEoinllbtea nind gdeisetsaeltmun Wg:e Srtkr udviree &k tP oardtenre irn, Hdeiriedketlb aeurfg Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI,VDE) Bezug ge-
nommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für Richtigkeit, Vollständigkeit oder
68/3020 uw – Gedruckt auf säurefreiem Papier – 5 4 3 2 1 0
Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder
Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen.
Satz: Autorendaten, Computer to plate
Einbandgestaltung: Struve & Partner, Heidelberg
68/3020 uw – Gedruckt auf säurefreiem Papier – 5 4 3 2 1 0
Vorwort
Es existieren ja schon einige Bücher auf dem Gebiet der chemischen Ver-
fahrenstechnik. Warum soll noch ein neues dazukommen? Die bisher ver-
öffentlichten Bücher bieten zum Teil gute Kurzübersichten zum Thema
oder bestechen durch tolle Abbildungen, dafür verzichten sie auf einfach-
ste Erklärungen und Berechnungen. Andere Bücher wiederum sind äußerst
umfangreich und verwirren mit komplexen mathematischen Herleitungen
oder für den Praktiker unnötigen historischen Ausflügen. Im Gespräch mit
Studenten, Technikern, Ingenieuren und Chemikern manifestierte sich
immer wieder das Verlangen nach einem Buch, welches das Thema knapp
aber doch erschöpfend darzustellen vermag, welches Verständnis weckt,
welches zielgerichtete Ratschläge gibt und die Plausibilität von Annahmen
und Resultaten durch unkomplizierte Berechnungen zu überprüfen erlaubt.
Viel Wissen steht heute im Internet und kann zügig heruntergeladen
werden. Informationen lassen sich auch von Apparateherstellern, Anlage-
bauern, Ingenieurbüros oder anderen Anwendern beziehen. Doch wer täg-
lich in Forschung, Entwicklung oder Produktion tätig ist, weiß wie viel
Zeit ein solches Vorgehen erfordert und dass die erhaltenen Auskünfte
nicht immer als zuverlässig zu erachten sind. Wie wertvoll ist da ein eige-
nes Nachschlagewerk, in dem man in Minutenschnelle zu den relevanten
Informationen vorstößt und bei Bedarf auch gleich die physikalisch-
chemischen Grundlagen nachschlagen kann?
Das vorliegende Buch stellt das Wissen der chemischen Verfahrens-
technik in umfassender und zusammenhängender Form dar. Formeln und
Symbole werden einheitlich und gemäß den neusten Normen verwendet.
Die Herleitungen erfolgen didaktisch aufbauend von den Grundlagen bis
zu den Anwendungen, von der Forschung im Labor bis zur Herstellung im
großtechnischen Maßstab. Das Buch richtet sich an den versierten und an
Zusammenhängen interessierten Leser, der die Prozesse der chemischen
Verfahrenstechnik ursächlich verstehen möchte. Es richtet sich genauso
gut auch an den Praktiker, der in Kenntnis der Hintergründe ein Verfahren
zu optimieren versucht. Es richtet sich an all diejenigen, die sich mit Freu-
de und Begeisterung mit der faszinierenden Welt der Chemie, der chemi-
VI Vorwort
schen Produktion und des chemischen Apparatebaus auseinanderzusetzen
gedenken.
„Errare humanum est“, Irren ist menschlich! Das Buch erscheint in sei-
ner ersten Auflage. Die Niederschrift erfolgte nach bestem Wissen und
Gewissen. Trotzdem können sich Fehler eingeschlichen haben oder gewis-
se Sachverhalte missverständlich dargestellt sein. Sollte dies vorkommen,
möchte ich mich dafür entschuldigen. Für Verbesserungshinweise bin ich
immer dankbar. Für Irrtümer und Schäden, die als Folge des Gebrauchs
dieses Buchs entstehen, kann ich aber keine Haftung irgendwelcher Art
übernehmen. Die mit diesem Buch erhaltenen Resultate sind stets hin-
sichtlich ihrer Plausibilität kritisch zu überprüfen, mit Fachleuten zu be-
sprechen und bei Bedarf im Experiment zu bestätigen. Die Versuche sind
unter geeigneten Bedingungen durchzuführen, die auch ein extremes, un-
erwartetes Verhalten aufzuzeigen in der Lage sind. Die zuverlässigsten
Grundlagen ergeben sich aus Experimenten in Zusammenwirkung mit fun-
diertem wissenschaftlichen Verständnis.
Noch sind nicht alle Einheitsoperationen der chemischen Verfahrens-
technik in diesem Buch beschrieben. Das soll in späteren Auflagen nach-
geholt werden. Der Schwerpunkt dieser ersten Auflage liegt auf der kor-
rekten und weit reichenden Darstellung der Grundlagen der chemischen
Verfahrenstechnik.
An der Illustration des Buchs haben verschiedene Personen mit gehol-
fen, denen ich allen danke. Besonders hervorheben möchte ich die Leis-
tungen von Herrn Daniel Leuenberger, Chemiker FH, für das Zeichnen
der meisten der z.T. komplexen Abbildungen, was er mit viel technischem
Sachverstand ausführte. Meinen Familienangehörigen und Freunden danke
ich für ihr Verständnis, dass ich einen großen Teil meiner Freizeit dem
Verfassen dieses Buchs gewidmet habe.
Viel Vergnügen beim Lesen und erfolgreiches Gelingen bei der Anwen-
dung des erworbenen Wissens wünscht Ihnen
Bern, im Juni 2004 Daniel Siegfried Christen
Aufbau des Buches
Das vorliegende Buch gliedert sich in vier Teile, wobei jeder Teil für sich
einen wesentlichen Teilbereich der chemischen Verfahrenstechnik ab-
deckt. Der Inhalt der vier Teile sei hier anhand der wichtigsten Kapitel
kurz vorgestellt.
Teil I: Chemische und verfahrenstechnische Grundlagen
Einführung, Projektierung, Werkstoffe, Reaktionstechnik
Teil II: Submikroskopische Ausgleichsvorgänge
Strömungslehre, Wärmeübertragung, Stofftransport
Teil III: Grundoperationen der chemischen Verfahrenstechnik
Mischen/ Rühren, Sedimentieren, Verdampfen, Kondensieren,
Destillieren, Rektifizieren, Trocknen
Teil IV: Regelungstechnik
Steuerung und Regelung, Reglertypen, Regelgüte, Einstellregeln für in-
dustrielle Regler, komplexe Regelsysteme, Prozessleittechnik
Teil I liefert die Grundlagen der chemischen Verfahrenstechnik. Im Ka-
pitel „Einführung“ wird die einheitliche Verwendung von Symbolen und
Maßeinheiten entsprechend den neusten Richtlinien und Normen vorge-
stellt. Dazu gibt es Adresshinweise auf Fachorganisationen, bei denen
weitergehende Informationen und Unterlagen angefordert werden können.
Das Kapitel „Projektierung“ beschreibt das Vorgehen zur folgerichtigen
Umsetzung von Laborprozessen in den großtechnischen Maßstab. Dabei
stehen Projektabläufe und die Projektorganisation im Vordergrund. Das
Kapitel „Werkstoffe“ befasst sich mit Korrosion und Verschleiß sowie mit
dem Ziel, einen für den Prozess geeigneten, Chemikalien beständigen
Werkstoff auswählen zu können. Das Kapitel „Reaktionstechnik“ ver-
gleicht verschiedene Reaktortypen und liefert Methoden zur Berechnung
von Umsatz und Ausbeute.
VIII Aufbau des Buches
Teil II befasst sich ausschließlich mit submikroskopischen Ausgleichs-
vorgängen, die allesamt auf der Bewegung von kleinen Teilchen beruhen.
Wenn sich einzelne Atome, Moleküle oder ganze Molekülpakete gegen-
einander verschieben, so entsteht Reibung zwischen den Teilchen. Mit den
Teilchen selbst werden Wärme und Stoff verschoben. Insgesamt entstehen
so Impuls-, Wärme- und Stofftransporte, die darauf ausgerichtet sind, örtli-
che Unterschiede in Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur und Konzen-
tration auszugleichen. Das Kapitel „Strömungslehre“ liefert Methoden zur
Berechnung von Druckabfall und Impulskräften in Rohrleitungen und Fall-
filmen. Im Unterkapitel „Rheologie“ werden nicht Newton’sche, zähflie-
ßende Medien behandelt. Das Kapitel „Wärmeübertragung“ liefert Metho-
den zur Berechnung von Wärmeflüssen, wie sie in Wärmeübertragern oder
in Rührkesseln ablaufen. Das Kapitel „Stofftransport“ befasst sich mit dem
Ausgleich von Konzentrationsunterschieden. Ein abschließendes Unterka-
pitel führt die Strömungslehre, die Wärmeübertragung und den Stofftrans-
port auf gemeinsame physikalische Ursachen zurück.
Teil III geht auf die Grundoperationen der chemischen Verfahrenstech-
nik ein. Chemische Grundoperationen sind Prozesse, bei denen eine Stoff-
umwandlung nach technisch einheitlichem Muster erfolgt. Man unter-
scheidet zwischen mechanischen und thermischen Grundoperationen je
nachdem, auf welchen Prinzipien die stoffliche Veränderung beruht. Me-
chanische Grundoperationen beschreiben z.B. die Kapitel „Mischen/ Rüh-
ren“ oder „Sedimentieren“. Thermische Grundoperationen beschreiben
z.B. die Kapitel „Verdampfen“, „Kondensieren“, „Trocknen“, „Destillie-
ren“ oder „Rektifizieren“.
Teil IV beinhaltet die Regelungstechnik, wie sie zur Prozessautomation
eines modernen chemischen Verfahrens benötigt wird. Der Teil beginnt
mit einer Einführung in die Grundlagen der Regelungstechnik und umfasst
Kapitel wie „Steuerung und Regelung“, „Reglertypen“, „Regelgüte-
kriterien“, „Einstellregeln für industrielle Regler“ und „Komplexe Regel-
systeme“. Das letzte Kapitel „Prozessleittechnik“ beschreibt die Funktion
zeitgemäßer Automations- und Überwachungssysteme und gibt Sicher-
heitshinweise zur Führung Computer gesteuerter Anlagen.
Das Buch enthält viele Abbildungen, Formeln und Tabellen, die eine
überschlagsmäßige Abschätzung von Prozessen und Verfahren ermögli-
chen. Am Ende eines jeden Kapitels sind Testfragen und Aufgabenstellun-
gen aus der Praxis angefügt, um das persönlich erworbene Fachwissen zu
überprüfen und zu festigen. Die Lösungen sind am Ende der jeweiligen
Buchteile separat aufgeführt. Ein ausführliches Sachverzeichnis am Ende
des Buchs erlaubt ein schnelles Auffinden von relevanten Textstellen.
Inhalt
Teil I Grundlagen.......................................................................................1
1 Einführung..............................................................................................3
1.1 Definitionen......................................................................................3
1.2 Fachorganisationen...........................................................................8
Europa...............................................................................................8
Deutschland......................................................................................9
Schweiz...........................................................................................10
Österreich.......................................................................................10
1.3 Maßeinheiten..................................................................................11
1.4 Fragen aus der Praxis......................................................................18
1.5 Literatur..........................................................................................18
2 Projektierung........................................................................................21
2.1 Maßstabsvergrößerung...................................................................21
Ähnlichkeiten.................................................................................21
Scale-Up Methoden........................................................................24
Dimensionslose Kenngrößen..........................................................26
Buckingham Π-Theorem................................................................30
2.2 Planung von Chemieanlagen..........................................................33
Blockschema...................................................................................34
Verfahrensfließbild.........................................................................34
RI-Schema......................................................................................36
Anlagenmodell................................................................................38
Rohrleitungsmodell........................................................................38
CAD-3D-Grafik..............................................................................39
Isometrische Zeichnung..................................................................40
2.3 Projektmanagement........................................................................41
Projektphasen.................................................................................41
Projektorganisation.........................................................................46
X Inhalt
2.4 Zeit- und Ressourcenplanung.........................................................49
Balkendiagramme...........................................................................50
Netzplandiagramme........................................................................51
Zuordnung von Ressourcen............................................................56
2.5 Fragen aus der Praxis......................................................................57
2.6 Literatur..........................................................................................58
3 Werkstoffe.............................................................................................59
3.1 Mechanische Eigenschaften............................................................59
Festigkeit........................................................................................59
Kerbschlagzähigkeit.......................................................................65
Härte...............................................................................................66
3.2 Korrosion........................................................................................71
Definitionen....................................................................................71
Voraussetzungen.............................................................................72
Korrosionsarten..............................................................................75
3.3 Korrosionschutz..............................................................................78
Werkstoff........................................................................................79
Beschichtung..................................................................................79
Konstruktion...................................................................................84
Elektrischer Strom..........................................................................85
Medium...........................................................................................85
3.4 Eisen & Stahl..................................................................................88
Herstellung.....................................................................................88
Unlegierter Stahl.............................................................................89
Legierter Stahl................................................................................92
Gusseisen........................................................................................95
3.5 Nicht-Eisenmetalle.........................................................................96
Leichtmetalle..................................................................................97
Schwermetalle................................................................................99
Sondermetalle...............................................................................104
Edelmetalle...................................................................................108
3.6 Keramiken....................................................................................110
Tonkeramik...................................................................................111
Glas...............................................................................................115
Kunstkohle & Elektrographit........................................................120
3.7 Kunststoffe...................................................................................121
Thermoplaste................................................................................127
Duroplaste.....................................................................................134
Elastomere....................................................................................136
Inhalt XI
3.8 Naturstoffe....................................................................................142
Holz..............................................................................................142
Steine............................................................................................144
3.9 Fragen aus der Praxis....................................................................144
3.10 Literatur......................................................................................145
4 Reaktionstechnik.................................................................................147
4.1 Begriffe.........................................................................................147
Homogene und heterogene Reaktionen........................................147
Strömungsführung........................................................................148
Umsatz, Ausbeute, Selektivität, Leistung, Kapazität....................150
4.2 Reaktoren......................................................................................152
Rührkessel....................................................................................153
Rohrreaktor...................................................................................155
Kolonne, Säule, Turm...................................................................156
Wirbelschichtreaktor....................................................................158
4.3 Stoffbilanzen.................................................................................163
Idealer diskontinuierlich betriebener Rührkessel.........................165
Idealer kontinuierlich betriebener Rohrreaktor............................166
Idealer kontinuierlich betriebener Rührkessel..............................167
Vergleich der idealisierten Reaktortypen.....................................168
4.4 Verweilzeitverteilung...................................................................169
Rohrreaktor...................................................................................169
Kontinuierlich betriebener Rührkessel.........................................170
Rührkesselkaskade........................................................................171
4.5 Fragen aus der Praxis....................................................................173
4.6 Literatur........................................................................................174
5 Berechnungen und Antworten zu Teil I............................................175
5.1 Einführung....................................................................................175
5.2 Projektierung................................................................................176
5.3 Werkstoffe....................................................................................178
5.4 Reaktionstechnik..........................................................................179
Teil II Ausgleichsvorgänge....................................................................183
6 Strömungslehre...................................................................................185
6.1 Einleitung......................................................................................185
Flüssigkeiten und Gase.................................................................185
Kontinuitätsgleichung...................................................................185
Ideale und reale Fluide.................................................................187