teknisk kemi

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning
Kemisk produktionsudstyr

Teknisk kemi omhandler overførsel af kemiske reaktioner og processer til tekniske procedurer samt optimering af eksisterende processer og procedurer fra et økonomisk og økologisk synspunkt.

Fokus for forskning og undervisning er på katalysator- og procesudvikling , mekaniske og termiske grundoperationer, procesvidenskab og kemisk reaktionsteknik .

historie

Svovlsyrefabrik ved hjælp af blykammerprocessen i anden halvdel af 1800 -tallet [1]

Den første begyndelse af teknisk kemi kan findes i det syttende århundrede gennem Johann Rudolph Glaubers arbejde med produktion af syrer og salte . Glauber producerede koncentreret saltsyre og salpetersyre og opdagede Glaubers salt opkaldt efter ham omkring 1625. [2] Et af højdepunkterne inden for teknisk kemi i det attende århundrede var udviklingen af blykammerprocessen af John Roebuck . [3] Allerede i 1746 blev den første blykammerproces sat i drift i England. Processen blev videreudviklet flere gange, især af Joseph Louis Gay-Lussac , der introducerede det såkaldte Gay-Lussac-tårn til genvinding af nitrogenoxider i 1827, samt trinet med nitrogenoxidreoxidation ved atmosfærisk ilt i Glover tårn introduceret af John Glover i 1859.

Viden om teknisk kemi blev opsummeret i lærebøger på et tidligt tidspunkt. Sådan definerede Johann Friedrich Gmelin teknisk kemi i sin manual for teknisk kemi i 1795:

"Teknisk kemi er den del af anvendt kemi, der lærer de kemiske principper for fabrikker, fabrikker, kunsthåndværkere og deres fordelagtige anvendelse på dem."

- Håndbog i teknisk kemi, bind 1, af Johann Friedrich Gmelin, 1795. [4]

Imidlertid er den tekniske kemis historie i ordets egentlige betydning forbundet med udviklingen af ​​den kemiske industri som en gren af ​​økonomien. Med udviklingen af anilinfarvestoffer af August Wilhelm Hofmann oplevede dette et enormt boom, især i Tyskland. Fra 1859 blev mange malefabrikker grundlagt i Tyskland inden for få år, såsom Boehringer Mannheim , [5] Bayer-Werke [6] , Hoechst , [7] Badische Anilin- und Soda-Fabrik (BASF), [8] Agfa , [9] Schering [10] og Boehringer Ingelheim . [11]

For at bygge bro mellem forskellene mellem industriens krav til kandidater og universitetsuddannelse blev der i slutningen af ​​1800 -tallet grundlagt flere institutter for teknisk kemi på initiativ af German Chemical Society og Carl Duisberg . [12]

Skema for Haber-Bosch-processen

Syntesen af ​​ammoniak ifølge Haber og Bosch repræsenterede en milepæl i teknisk kemi i begyndelsen af ​​det 20. århundrede. Fritz Haber blev udnævnt til lektor for teknisk kemi ved universitetet i Karlsruhe i 1898, og fra 1904 beskæftigede han sig med produktion af ammoniak fra elementerne. Udviklingen af Haber-Bosch-processen udgjorde på mange måder en udfordring for kemi og procesteknik . Der skulle udvikles reaktorer, der kunne modstå tryk på op til 300 bar og temperaturer på op til 500 ° C , og der blev udviklet katalysatorer, der gav økonomisk udbytte tilladt ammoniak.

I tyverne og trediverne i det tyvende århundrede var kulstof og acetylenkemi de dominerende emner inden for teknisk kemi. [13]

Forenklet forarbejdningsordning for råolie
  • handelsvare
  • mellemliggende
  • behandle
  • produkt
  • Tilgængeligheden af ​​billig råolie efter 1950 og dermed også af ethylen førte til en hidtil uset udvidelse af industriel kemisk produktion og dermed til en stadig nyere udvikling inden for teknisk kemi. En milepæl for denne tid er udviklingen af ​​lavtryksprocessen til polyethylenproduktion af Karl Ziegler . [14]

    Milepæle i teknisk kemi
    år Stifinder Opdagelse / præstation
    1625 Johann Rudolph Glauber Fremgangsmåde til fremstilling af salpetersyre , saltsyre og natriumsulfat
    1746 John Roebuck Blykammerproces til fremstilling af svovlsyre
    1827 Otto Linné Erdmann Første tidsskrift for teknisk og økonomisk kemi
    1839 Charles Goodyear Vulkanisering af gummi
    1840 Justus von Liebig Gødning , agrokemiens begrundelse
    1894 Wilhelm Ostwald Moderne definition af katalyse
    1909 Fritz Haber , Carl Bosch Ammoniak syntese
    1909 Fritz Hofmann Syntetisk gummi
    1913 Friedrich Bergius Kulhydrathydrogenering ved hjælp af Bergius -metoden
    1925 Franz Fischer , Hans Tropsch Fischer-Tropsch syntese
    1928 Walter Reppe Acetylenkemi , f.eks. B. Hydrocarboxylering
    1938 Otto Roelen Hydroformylering
    1953 Karl Ziegler Polyethylen ved hjælp af lavtryksprocessen

    Grundlæggende

    Kemiske reaktioner kan ikke blot overføres til stor industriel produktion. Teknisk kemi omhandler derfor spørgsmålet om, hvor mange tons af det samme produkt, der kan produceres på en fabrik, samtidig med at produktionsomkostningerne minimeres. Dette gøres empirisk eller gennem en matematisk optimering baseret på en modelbeskrivelse af reaktionsprocessen og reaktoren. Næsten hver kemisk produktion kan opdeles i tre trin:

    Først fremstilles udgangsmaterialerne , i det andet trin finder den faktiske reaktion sted. I det sidste trin fremstilles reaktionsblandingen endelig. Kemisk procesteknik beskæftiger sig med forberedelse og behandling og kemisk reaktionsteknik med reaktioner i industriel skala. For de nødvendige beregninger skal transport, varme og tidsbalancer udarbejdes. Dimensionløse nøgletal ( Euler-nummer , Reynolds-nummer , Nusselt-nummer , Damköhler-nummer ) bruges ofte til at lette skaleringen .

    Teknisk kemi muliggør effektiv produktion af basis- , mellemprodukter og slutprodukter. Mellem 1970 og 1980 gjorde forbedringer i kemiske processer det muligt at reducere energibehovet for kemiske reaktioner med omkring 40%, samtidig med at det samme produktionsvolumen blev opretholdt. [15]

    Kemisk procesvidenskab

    Omrørt tank

    Et vigtigt aspekt af teknisk kemi er forståelsen af ​​materialekombinationen af ​​industriel organisk og uorganisk kemi. De grundlæggende kemikalier er oprindeligt skabt af de organiske råvarer råolie, kul og vedvarende råvarer. Et stort antal mellem- og slutprodukter fremstilles heraf.

    Kemisk procesvidenskab fortsætter med at undersøge processerne og reaktionsprocedurerne for de vigtigste industrielle kemiske produkter.

    Startende med råvarerne råolie , naturgas , kul og stadig mere vedvarende råvarer fremstilles først kemiske basale produkter som olefiner og aromater .

    Disse forarbejdes til mellemprodukter, såsom alkoholer , phenoler , aldehyder , ketoner , carboxylsyrer eller aminer .

    Slutprodukterne fra den kemiske industri, såsom polymerer , vaskemidler , pesticider , lægemidler og farvestoffer, er fremstillet af basis- og mellemprodukterne.

    Råmaterialerne i industriel uorganisk kemi omfatter luft , svovl , natriumchlorid , koks og vand , hvorfra slutprodukterne, såsom syrer, alkalier, gødning, glas, pigmenter, katalysatorer og materialer kan fremstilles via nogle få mellemtrin, såsom ammoniak og chlor .

    Teknisk kemis opgave er at bestemme de mest økonomiske procesruter ud fra de tilgængelige synteseruter, afhængigt af tilgængeligheden af ​​råmaterialerne og under hensyntagen til energiforbruget.

    Kemiske processer adskiller sig i typen af ​​kemisk reaktion, der udføres, f.eks. Chlorering , hydrogenering , nitrering , oxidation , polymerisering eller sulfonering . Energien kan tilføres på forskellige måder, for eksempel termisk, elektrokemisk eller fotokemisk .

    Hvis begge reaktionstyper er mulige, kan de økonomiske aspekter ud over tekniske forhold påvirke beslutningen om en proces udføres kontinuerligt eller diskontinuerligt som en batchproces. Kontinuerlige systemer er egnede til et produkt, der fremstilles i store mængder, mens en batchproces ofte tillader større fleksibilitet i produktvariation, men på bekostning af den producerede mængde.

    Yderligere klassificeringstræk ved kemiske processer er antallet af udførte trin (enkelt / flertrins), varmeafgivelsen (endo / eksoterm) og den anvendte katalyse (homogen / heterogen / biokatalytisk).

    katalyse

    Katalyseforskning er særlig vigtig inden for teknisk kemi, da omkring 80% af alle kemiske produkter gennemgår en katalytisk proces i løbet af deres fremstilling.

    Ved fremstilling af basis- og mellemprodukter spiller heterogen katalyse langt den største rolle; ved fremstilling af mellemprodukter og slutprodukter øges betydningen af ​​homogene og biokatalytiske processer.

    Baseret på resultaterne af grundforskning [16] gøres der et stigende forsøg på at placere katalysator og procesudvikling på et vidensorienteret grundlag.

    Grundlæggende betjening

    De fysiske processer i en proces, der er nødvendige ud over de kemiske reaktioner, omtales som mekaniske og termiske grundoperationer. Grundlæggende operationer er de elementære trin i udførelsen af ​​en procedure.

    Disse bruges til at fremstille råvarer, f.eks. Ved at knuse, blande reaktanterne og transportere og forarbejde produkterne ved hjælp af separationsprocesser.

    Grundlæggende mekaniske operationer

    Flotationscelle

    De vigtige mekaniske grundoperationer omfatter processen til kombination af materialer, transport og formning, separationsprocessen og findelingsprocessen for faste stoffer.

    De metoder, der anvendes til at kombinere stoffer, omfatter emulgering , æltning, blanding , pelletering , presning , omrøring , suspension , blanding og sprøjtning. En af de vigtigste transportmetoder er pumpning .

    Mekaniske separationsprocesser bruges blandt andet til at adskille faste stoffer fra væsker og gasser eller væsker fra gasser. Kendte separationsmetoder til adskillelsen er dekantering , elektrodeponering , filtrering , flotation , sedimentering , visninger , screening , sortering og centrifugering .

    Kommuniseringsprocesser bruges mest til at indstille bestemte kornstørrelsesfordelinger eller til at forstørre overfladen, for eksempel for at få en kemisk reaktion til at køre hurtigere. De metoder, der ofte bruges her, omfatter brud , slibning , slibning, rivning og opskæring .

    Grundlæggende termiske operationer

    McCabe-Thiele diagram

    Stoffer kan adskilles eller kombineres ved hjælp af termiske basisoperationer. Følgende grundlæggende termiske operationer skelnes efter den type faser, der forekommer:

    Langt den hyppigst anvendte metode til materialeseparation er rektifikation, som kan udføres i et trin som destillation eller i flere trin i en kontinuerlig eller diskontinuerlig proces. Tidligere blev rektifikationssøjler ofte designet efter den grafiske metode fra McCabe-Thiele .

    Kemisk reaktionsteknik

    → Hovedartikel: Kemisk reaktionsteknik

    Kemisk reaktionsteknik beskæftiger sig med design af kemiske reaktorer under givne reaktionsbetingelser som tryk og temperatur, materiale- og energibalancen og makrokinetikken i en reaktion med det formål at minimere investerings- og driftsomkostninger for en reaktor med optimal gennemstrømning.

    Eksempler på de grundlæggende typer af kemiske reaktorer er den rørformede reaktor , den omrørte tank og den kontinuerlige omrørte tank . Opholdstidens adfærd er en vigtig parameter for disse typer reaktorer . Forenklede matematiske modeller af denne type reaktorer kaldes ideelle reaktorer .

    Seneste udvikling

    Den nyere udvikling inden for teknisk kemi er kendetegnet ved det stigende pres på processernes økonomiske effektivitet og miljøvenlighed samt de stadig mere knappe forsyninger af de vigtigste råvarer, især råolie. Trendrapporten for teknisk kemi udgivet af GDCh giver et overblik over de vigtigste tendenser. [17] Eksempler på den seneste udvikling er brugen af ​​biomasse som et kemisk råmateriale, mikroreaktionsteknologi og brugen af ​​nye opløsningsmidler.

    • Bæredygtig kemi: [18] Frem for alt undersøges brugen af ​​biomasse som kemisk råvare. Forskning fokuserer på udvælgelse og behandling af vedvarende råvarer, deres efterfølgende kemi og grænsefladerne til bioteknologi .
    • Mikroreaktionsteknologi : [19] Mikroreaktionsteknologi bruger komponenter til at udføre kemiske reaktioner med partikelstørrelser i millimeter til centimeterområdet. Formålet med undersøgelserne er udvikling af mikroreaktorer og undersøgelse af kemiske reaktioner under mikroreaktionsbetingelser, da her normalt ikke opstår problemer med blanding, diffusion eller varmeoverførsel.
    • Nye opløsningsmidler: Når homogene katalytiske processer udføres, er genvindingen af ​​katalysatoren og adskillelsen af ​​produkterne fra opløsningsmidlet ofte afgørende for en process økonomiske levedygtighed. Man forsøger at udføre reaktioner i superkritiske opløsningsmidler , ioniske væsker eller i vand. De ioniske væsker er salte, der bliver flydende ved stuetemperatur eller lidt over. Ved at vælge egnede kation / anionpar kan egenskaberne for disse væsker sættes målrettet over et bredt område. På grund af deres ioniske natur er de næppe flygtige og har egenskaber, der adskiller sig meget fra konventionelle organiske opløsningsmidler. [20] Vand som opløsningsmiddel giver ofte den fordel, at det organiske produkt, der dannes ved en homogen katalytisk reaktion, ikke blandes med vand og derfor tillader let adskillelse. Brugen af hypergrenede polymerer [21] [22] undersøges også.

    Undervisning og forskning

    DECHEMA har udviklet en undervisningsprofil for teknisk kemi som en retningslinje for universitetsuddannelse, som implementeres på de fleste universiteter og tekniske gymnasier. [23]

    litteratur

    Generelle lærebøger

    Særlige fagområder

    • M. Wächter: stoffer, partikler, reaktioner . Verlag Handwerk und Technik, Hamburg 2000, ISBN 3-582-01235-2 .
    • J. Hagen: Kemisk reaktionsteknologi - En introduktion med øvelser , VCH -Verlag, Weinheim, 1992.
    • K. Dialer, U. Onken, K. Leschonski : Grundlæggende træk ved procesteknik og reaktionsteknik , Hanser-Verlag, München, 1984.
    • O. Levenspiel : The Chemical Reactor Omnibook , Osu-Verlag, Oregon, 1993.
    • HJ Arpe: Industriel organisk kemi , Wiley-VCH, ISBN 3-527-30578-5 .
    • Forfatterkollektiv: Lærebog i kemisk procesteknik , VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindindustrie, Leipzig 1980
    • R. Turton, RC Bailie, WB Whiting og JS Shaeiwitz: Analyse, syntese og design af kemiske processer , Prentice Hall, 2002, ISBN 0-13-064792-6 .

    opslagsbøger

    • E. Bartholome, E. Biekert, H. Hellmann, Ullmanns Encyklopadie der Technischen Chemie , 25 bind, Wiley-VCH, 1984, ISBN 3-527-20000-2 .
    • R. Dittmeyer, W. Keim , G. Kreysa , K. Winnacker , L. Küchler, Winnacker-Küchler: Kemisk teknologi: Methodical Basics: Chemical Technology: Vol. 1 , 919 sider, Wiley-VCH, ISBN 978-3-527 -30767-8 .
    • RE Kirk og DF Othmer: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology , Wiley-Interscience, 2001, ISBN 0-471-41961-3 .

    Magasiner

    Særlige fagområder

    • Avancerede materialer , Wiley-VCH Verlag, Weinheim.
    • Reaction Kinetics and Catalysis Letters, Springer Science & Business Media BV

    Weblinks

    Wiktionary: teknisk kemi - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser
    • www.lectures4you.de - Udarbejdelse af frit tilgængelige undervisningstilbud om teknisk kemi på Internettet.

    Individuelle beviser

    1. ^ H. Ost: Textbook of Technical Chemistry , udgivet af Robert Oppenheim, Berlin, 1890, s. 53.
    2. Erich Pietsch: Glauber, Johann Rudolph. I: Ny tysk biografi (NDB). Bind 6, Duncker & Humblot, Berlin 1964, ISBN 3-428-00187-7 , s. 437 f. ( Digitaliseret version ).
    3. Uorganisk kemi , af Erwin Riedel , Christoph Janiak .
    4. Handbook of Technical Chemistry, bind 1 , af Johann Friedrich Gmelin, 1795.
    5. Chronicle of the City of Mannheim - Milepæle i det 19. århundrede .
    6. Bayer AG Bayers virksomhedshistorie: Stiftelsesårene (1863–1881) .
    7. ^ Industriparken Höchst - en succeshistorie ( erindring om originalen fra 8. juli 2010 i internetarkivet ) Info: Arkivlinket blev indsat automatisk og er endnu ikke kontrolleret. Kontroller det originale og arkivlink i henhold til instruktionerne, og fjern derefter denne meddelelse. @ 1 @ 2 Skabelon: Webachiv / IABot / www.ihr-nachbar.de .
    8. 1865-1901: Fremkomsten af den kemiske industri og alderen af farver @ 1 @ 2 Skabelon: Toter Link / www.basf.com ( side ikke længere tilgængelig , søge i web-arkiver ) Info: Linket blev automatisk markeret som defekt. Kontroller venligst linket i henhold til instruktionerne, og fjern derefter denne meddelelse. .
    9. ^ De tidlige år 1867: AGFA, det hele begyndte med farve ( erindring af 3. november 2010 i internetarkivet ).
    10. Schering AG, Bryllup .
    11. 1885–1948: Innovativ begyndelse ( erindring om originalen fra 12. oktober 2010 i internetarkivet ) Info: Arkivlinket blev indsat automatisk og er endnu ikke kontrolleret. Kontroller det originale og arkivlink i henhold til instruktionerne, og fjern derefter denne meddelelse. @ 1 @ 2 Skabelon: Webachiv / IABot / www.boehringer-ingelheim.de .
    12. ^ Fakultet for kemi og geovidenskab ved Friedrich Schiller University Jena: Instituttets historie ( Memento fra 30. maj 2011 i internetarkivet )
    13. Den lange vej til carbokemi: benzin fra Böhlen - en (næsten) uendelig historie .
    14. ^ Nobelprisforedrag af Karl Ziegler (PDF; 633 kB).
    15. K.-H. Reichert: Fundamentals of teknisk kemi I, reaktionsteknik, forelæsningsnotater fra TU Berlin fra 1982, s. 132-133.
    16. ^ Videnskabelig baggrund om Nobelprisen i kemi 2007, kemiske processer på faste overflader Gerhard Ertl .
    17. ^ GDCh: Trendrapport Teknisk kemi ( erindring af 12. oktober 2004 i internetarkivet ).
    18. Rapport om bæredygtig kemi i innovationsrapporten .
    19. ^ Rapport fra Fraunhofer Institute .
    20. Ioniske væsker som en ny materialeklasse, rapport i Biotech-LifeScience Portal Baden-Württemberg ( Memento fra 10. marts 2014 i internetarkivet ).
    21. Artikel om hypergrenede polymerer @ 1 @ 2 Skabelon: Toter Link / www.perstorp.fi ( siden er ikke længere tilgængelig , søg i webarkiver ) Info: Linket blev automatisk markeret som defekt. Kontroller venligst linket i henhold til instruktionerne, og fjern derefter denne meddelelse. (PDF; 105 kB).
    22. Rapport om forgrenede polymerer i innovationsrapporten .
    23. Kursusprofil for teknisk kemi på DECHEMA (PDF; 172 kB).