teknisk kjemi
Teknisk kjemi omhandler overføring av kjemiske reaksjoner og prosesser til tekniske prosedyrer , samt optimalisering av eksisterende prosesser og prosedyrer fra et økonomisk og økologisk synspunkt.
Fokus for forskning og undervisning er på katalysator- og prosessutvikling , mekaniske og termiske grunnleggende operasjoner, prosessvitenskap og kjemisk reaksjonsteknikk .
historie
Den første begynnelsen på teknisk kjemi kan bli funnet i det syttende århundre gjennom arbeidet til Johann Rudolph Glauber om produksjon av syrer og salter . Glauber produserte konsentrert saltsyre og salpetersyre og oppdaget Glaubers salt oppkalt etter ham rundt 1625. [2] Et av høydepunktene i teknisk kjemi på det attende århundre var utviklingen av blykammerprosessen av John Roebuck . [3] Allerede i 1746 ble den første blykammerprosessen satt i drift i England. Prosessen ble videreutviklet flere ganger, spesielt av Joseph Louis Gay-Lussac , som introduserte det såkalte Gay-Lussac-tårnet for utvinning av nitrogenoksider i 1827, samt trinnet med nitrogenoksidreoksidasjon av atmosfærisk oksygen i Glover tårnet introdusert av John Glover i 1859.
Kunnskap om teknisk kjemi ble oppsummert i lærebøker på et tidlig tidspunkt. Slik definerte Johann Friedrich Gmelin teknisk kjemi i sin manual for teknisk kjemi i 1795:
"Teknisk kjemi er den delen av anvendt kjemi som lærer de kjemiske prinsippene for fabrikker, fabrikker, kunst og håndverkere og deres fordelaktige anvendelse på dem."
Imidlertid er historien om teknisk kjemi i ordets egentlige betydning knyttet til utviklingen av den kjemiske industrien som en gren av økonomien. Med utviklingen av anilinfargestoffer av August Wilhelm Hofmann opplevde dette en enorm boom, spesielt i Tyskland. Fra 1859 ble mange malingsfabrikker grunnlagt i Tyskland i løpet av få år, for eksempel Boehringer Mannheim , [5] Bayer-Werke [6] , Hoechst , [7] Badische Anilin- und Soda-Fabrik (BASF), [8] Agfa , [9] Schering [10] og Boehringer Ingelheim . [11]
For å bygge bro over avviket mellom industriens krav til nyutdannede og universitetsutdannelse, ble flere institutter for teknisk kjemi grunnlagt på slutten av det nittende århundre på initiativ av German Chemical Society og Carl Duisberg . [12]
Syntesen av ammoniakk ifølge Haber og Bosch representerte en milepæl i teknisk kjemi på begynnelsen av 1900 -tallet. Fritz Haber ble utnevnt til førsteamanuensis for teknisk kjemi ved Universitetet i Karlsruhe i 1898, og fra 1904 tok han for seg produksjon av ammoniakk fra elementene. Utviklingen av Haber-Bosch-prosessen utgjorde en utfordring for kjemi og prosessingeniør på mange måter. Det måtte utvikles reaktorer som kunne tåle trykk på opptil 300 bar og temperaturer på opptil 500 ° C , og det ble utviklet katalysatorer som ga økonomisk utbytte tillatt med ammoniakk.
På tjue- og trettiårene av det tjuende århundre var karbon- og acetylenkjemi de dominerende temaene innen teknisk kjemi. [1. 3]
| Forenklet behandling av råolje | |
|
|
|
|
Tilgjengeligheten av billig råolje etter 1950 og dermed også av etylen førte til en enestående utvidelse av industriell kjemisk produksjon og dermed til stadig nyere utvikling innen teknisk kjemi. En milepæl for denne tiden er utviklingen av lavtrykksprosessen for polyetylenproduksjon av Karl Ziegler . [14]
| år | Utforsker | Oppdagelse / prestasjon |
|---|---|---|
| 1625 | Johann Rudolph Glauber | Prosess for produksjon av salpetersyre , saltsyre og natriumsulfat |
| 1746 | John Roebuck | Blykammerprosess for produksjon av svovelsyre |
| 1827 | Otto Linné Erdmann | Første tidsskrift for teknisk og økonomisk kjemi |
| 1839 | Charles Goodyear | Vulkanisering av gummi |
| 1840 | Justus von Liebig | Gjødsel , begrunnelse for agrokjemi |
| 1894 | Wilhelm Ostwald | Moderne definisjon av katalyse |
| 1909 | Fritz Haber , Carl Bosch | Ammoniakk syntese |
| 1909 | Fritz Hofmann | Syntetisk gummi |
| 1913 | Friedrich Bergius | Hydrogenering av karbohydrater ved bruk av Bergius -metoden |
| 1925 | Franz Fischer , Hans Tropsch | Fischer-Tropsch syntese |
| 1928 | Walter Reppe | Acetylenkjemi , f.eks. B. hydrokarboksylering |
| 1938 | Otto Roelen | Hydroformylering |
| 1953 | Karl Ziegler | Polyetylen ved bruk av lavtrykksprosessen |
Grunnleggende
Kjemiske reaksjoner kan ikke bare overføres til storskala industriell produksjon. Teknisk kjemi omhandler derfor spørsmålet om hvor mange tonn av det samme produktet som kan produseres på en fabrikk samtidig som produksjonskostnadene minimeres. Dette gjøres empirisk eller gjennom en matematisk optimalisering basert på en modellbeskrivelse av reaksjonsprosessen og reaktoren. Nesten hver kjemisk produksjon kan deles inn i tre trinn:
Først tilberedes utgangsmaterialene , i det andre trinnet finner den faktiske reaksjonen sted. I det siste trinnet tilberedes reaksjonsblandingen til slutt. Kjemisk prosessingeniør er opptatt av forberedelse og prosessering, og kjemisk reaksjonsteknikk med reaksjoner i industriell skala. For de nødvendige beregningene må transport, varme og tidsbalanser utarbeides. Dimensjonsløse nøkkeltall ( Euler-nummer , Reynolds-nummer , Nusselt-nummer , Damköhler-nummer ) brukes ofte for å lette oppskalering .
Teknisk kjemi muliggjør effektiv produksjon av grunnleggende , mellomprodukter og sluttprodukter. Mellom 1970 og 1980 gjorde forbedringer i kjemiske prosesser det mulig å redusere energibehovet for kjemiske reaksjoner med rundt 40% samtidig som det samme produksjonsvolumet beholdes. [15]
Kjemisk prosessvitenskap
Et viktig aspekt ved teknisk kjemi er forståelsen av materialkombinasjonen av industriell organisk og uorganisk kjemi. De grunnleggende kjemikaliene er opprinnelig laget av de organiske råvarene råolje, kull og fornybare råvarer. Et stort antall mellomprodukter og sluttprodukter produseres av dette.
Kjemisk prosessvitenskap fortsetter å undersøke prosessene og reaksjonsprosedyrene til de viktigste industrielle kjemiske produktene.
Med utgangspunkt i råvarene råolje , naturgass , kull og stadig mer fornybare råvarer, produseres først grunnleggende kjemiske produkter som olefiner og aromater .
Disse bearbeides til mellomprodukter som alkoholer , fenoler , aldehyder , ketoner , karboksylsyrer eller aminer .
Sluttproduktene fra den kjemiske industrien, for eksempel polymerer , vaskemidler , plantevernmidler , legemidler og fargestoffer, er laget av basisprodukter og mellomprodukter.
Råvarene for industriell uorganisk kjemi inkluderer luft , svovel , natriumklorid , koks og vann , hvorfra sluttproduktene som syrer, alkalier, gjødsel, glass, pigmenter, katalysatorer og materialer kan produseres via noen få mellomtrinn som ammoniakk og klor .
Teknisk kjemis oppgave er å bestemme de mest økonomiske prosessrutene ut fra de mulige synteserutene som er tilgjengelige, avhengig av tilgjengeligheten av råvarene og tatt hensyn til energiforbruket.
Kjemiske prosesser varierer i typen kjemisk reaksjon som utføres, for eksempel klorering , hydrogenering , nitrering , oksidasjon , polymerisering eller sulfonering . Energien kan tilføres på forskjellige måter, for eksempel termisk, elektrokjemisk eller fotokjemisk .
Hvis begge reaksjonstyper er mulige, kan de økonomiske aspektene i tillegg til tekniske forhold påvirke beslutningen om en prosess utføres kontinuerlig eller diskontinuerlig som en batchprosess. Kontinuerlige systemer er egnet for et produkt som er produsert i store mengder, mens en batchprosess ofte gir større fleksibilitet i produktvariasjon, men på bekostning av produsert mengde.
Ytterligere klassifiseringsfunksjoner for kjemiske prosesser er antall trinn som utføres (enkelt / flertrinns), varmeavgivelsen (endo / eksoterm) og typen katalyse som brukes (homogen / heterogen / biokatalytisk).
katalyse
Katalyseforskning er spesielt viktig innen teknisk kjemi, ettersom rundt 80% av alle kjemiske produkter gjennomgår en katalytisk prosess under produksjonen.
Ved fremstilling av basisprodukter og mellomprodukter spiller heterogen katalyse den desidert største rollen; i produksjonen av mellomprodukter og sluttprodukter øker betydningen av homogene og biokatalytiske prosesser.
Basert på resultatene av grunnforskning [16] , blir det stadig flere forsøk på å plassere katalysator og prosessutvikling på et kunnskapsorientert grunnlag.
Grunnleggende operasjoner
De fysiske prosessene i en prosess som er nødvendige i tillegg til de kjemiske reaksjonene kalles mekaniske og termiske grunnoperasjoner. Grunnleggende operasjoner er de elementære trinnene i å utføre en prosedyre.
Disse brukes til å fremstille råvarer, for eksempel ved å knuse, blande reaktantene og transportere og bearbeide produktene ved hjelp av separasjonsprosesser.
Grunnleggende mekaniske operasjoner
De viktige mekaniske grunnoperasjonene inkluderer prosessen for å kombinere materialer, formidle og forme, separasjonsprosessen og findelingsprosessen for faste stoffer.
Metodene som brukes for å kombinere stoffer inkluderer emulgering , elting, blanding , pelletering , pressing , omrøring , suspensjon , blanding og sprøyting. En av de viktigste transportmetodene er pumping .
Mekaniske separasjonsprosesser brukes blant annet til å skille faste stoffer fra væsker og gasser eller væsker fra gasser. Kjente separasjonsmetoder for separasjonen er dekantering , elektrodeponering , filtrering , flotasjon , sedimentering , visninger , screening , sortering og sentrifugering .
Kommuniseringsprosesser brukes for det meste for å angi visse kornstørrelsesfordelinger eller for å forstørre overflaten, for eksempel for å få en kjemisk reaksjon til å løpe raskere. Metodene som ofte brukes her inkluderer brudd , sliping , sliping, riving og skjæring .
Grunnleggende termiske operasjoner
Stoffer kan skilles eller kombineres ved hjelp av termiske grunnleggende operasjoner. Følgende grunnleggende termiske operasjoner skiller seg ut fra hvilken type faser som oppstår:
- Gass-væske: utbedring , absorpsjon
- Væske-væske: Væske-væske ekstraksjon
- Fast væske: krystallisering
- Gassfast: adsorpsjon
Den desidert mest brukte metoden for materialskillelse er rektifikasjon, som kan utføres i ett trinn som destillasjon eller i flere trinn i en kontinuerlig eller diskontinuerlig prosess. Tidligere ble utbedringskolonner ofte designet i henhold til den grafiske metoden McCabe-Thiele .
Kjemisk reaksjonsteknikk
- → Hovedartikkel: Kjemisk reaksjonsteknikk
Kjemisk reaksjonsteknologi omhandler utformingen av kjemiske reaktorer under gitte reaksjonsforhold som trykk og temperatur, material- og energibalansen og makrokinetikken til en reaksjon med det formål å minimere investerings- og driftskostnadene til en reaktor med optimal gjennomstrømning.
Eksempler på de grunnleggende typene av kjemiske reaktorer er den rørformede reaktoren , den omrørte tanken og den kontinuerlige omrørte tanken . Oppholdstidens oppførsel er en viktig parameter for denne typen reaktorer . Forenklede matematiske modeller av denne typen reaktorer kalles ideelle reaktorer .
Nylige utviklinger
Den nyere utviklingen innen teknisk kjemi kjennetegnes av det økende presset på prosessernes økonomiske effektivitet og miljøvennlighet, samt den stadig mangelvare forsyningen av de viktigste råvarene, spesielt råolje. Trendrapporten for teknisk kjemi publisert av GDCh gir en oversikt over de viktigste trendene. [17] Eksempler på den siste utviklingen er bruk av biomasse som kjemisk råmateriale, mikroreaksjonsteknologi og bruk av nye løsningsmidler.
- Bærekraftig kjemi: [18] Fremfor alt blir bruken av biomasse som kjemisk råstoff undersøkt. Forskning fokuserer på valg og behandling av fornybare råvarer, deres påfølgende kjemi og grensesnittene til bioteknologi .
- Mikroreaksjonsteknologi : [19] Mikroreaksjonsteknologi bruker komponenter for å utføre kjemiske reaksjoner med partikkelstørrelser i millimeter til centimeter området. Målet med undersøkelsene er utvikling av mikroreaktorer og studier av kjemiske reaksjoner under mikroreaksjonsforhold, siden her normalt ikke oppstår problemer med blanding, diffusjon eller varmeoverføring.
- Nye løsningsmidler: Når homogene katalytiske prosesser utføres, er utvinningen av katalysatoren og separasjonen av produktene fra løsningsmidlet ofte avgjørende for den økonomiske levedyktigheten til en prosess. Det blir forsøkt å utføre reaksjoner i superkritiske løsningsmidler , ioniske væsker eller i vann. De ioniske væskene er salter som blir flytende ved romtemperatur eller litt over. Ved å velge passende kation / anionpar kan egenskapene til disse væskene settes målrettet over et bredt område. På grunn av deres ioniske natur er de neppe flyktige og har egenskaper som skiller seg sterkt fra konvensjonelle organiske løsningsmidler. [20] Vann som løsningsmiddel gir ofte den fordelen at det organiske produktet som dannes i en homogen katalytisk reaksjon ikke blandes med vann og derfor tillater enkel separering. Bruken av hypergrenede polymerer [21] [22] blir også undersøkt.
Undervisning og forskning
DECHEMA har utviklet en undervisningsprofil for teknisk kjemi som en retningslinje for universitetsutdanning, som implementeres ved de fleste universiteter og tekniske høyskoler. [23]
litteratur
Generelle lærebøker
- M. Baerns , A. Behr , A. Brehm, J. Gmehling , H. Hofmann , U. Onken, A. Renken: Technische Chemie , Wiley-VCH 2006, ISBN 3-527-31094-0 .
- HG Vogel: Textbook Chemical Technology , Wiley-VCH 2004, ISBN 3-527-31094-0 .
- HG Vogel: Prosessutvikling , Wiley-VCH 2002, ISBN 3-527-28721-3 .
- M. Jakubith: Grunnleggende operasjoner og kjemisk reaksjonsteknikk-En introduksjon til teknisk kjemi , Wiley-VCH, 2002, ISBN 3-527-28870-8 .
- G. Emig , E. Klemm: Teknisk kjemi: Introduksjon til kjemisk reaksjonsteknologi , 568 sider, Verlag Springer, 2005, ISBN 978-3-540-23452-4 .
Spesielle fagområder
- M. Wächter: stoffer, partikler, reaksjoner . Verlag Handwerk und Technik, Hamburg 2000, ISBN 3-582-01235-2 .
- J. Hagen: Kjemisk reaksjonsteknologi - En introduksjon med øvelser , VCH -Verlag, Weinheim, 1992.
- K. Dialer, U. Onken, K. Leschonski : Grunnleggende trekk ved prosessingeniør og reaksjonsteknikk , Hanser-Verlag, München, 1984.
- O. Levenspiel : The Chemical Reactor Omnibook , Osu-Verlag, Oregon, 1993.
- HJ Arpe: Industriell organisk kjemi , Wiley-VCH, ISBN 3-527-30578-5 .
- Forfatterkollektiv: Lærebok for kjemisk prosessingeniør , VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindindustrie, Leipzig 1980
- R. Turton, RC Bailie, WB Whiting og JS Shaeiwitz: Analyse, syntese og design av kjemiske prosesser , Prentice Hall, 2002, ISBN 0-13-064792-6 .
referanse bøker
- 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: Kjemisk teknologi: Metodisk grunnleggende: Kjemisk teknologi: 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
- Kjemisk ingeniørteknologi , WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.
- Industrial and Engineering Chemistry, utgitt av American Chemical Society , Washington, DC.
- Kjemisk ingeniørvitenskap, Elsevier BV
Spesielle fagområder
- Advanced Materials , Wiley-VCH Verlag, Weinheim.
- Reaction Kinetics and Catalysis Letters, Springer Science & Business Media BV
weblenker
- www.lectures4you.de - Samling av fritt tilgjengelige undervisningstilbud om teknisk kjemi på Internett.
Individuelle bevis
- ^ H. Ost: Textbook of Technical Chemistry , utgitt av Robert Oppenheim, Berlin, 1890, s. 53.
- ^ Erich Pietsch: Glauber, Johann Rudolph. I: Ny tysk biografi (NDB). Bind 6, Duncker & Humblot, Berlin 1964, ISBN 3-428-00187-7 , s. 437 f. ( Digitalisert versjon ).
- ^ Uorganisk kjemi , av Erwin Riedel , Christoph Janiak .
- ^ Handbook of Technical Chemistry, bind 1 , av Johann Friedrich Gmelin, 1795.
- ↑ Chronicle of the City of Mannheim - Milepæler på 1800 -tallet .
- ^ Bayer AG Bayer -selskapets historie: Grunnårene (1863–1881) .
- ^ Industriparken Höchst - en suksesshistorie ( Memento av originalen fra 8. juli 2010 i Internettarkivet ) Info: Arkivkoblingen ble satt inn automatisk og er ikke kontrollert ennå. Vennligst sjekk originalen og arkivkoblingen i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne meldingen. .
- ↑ 1865–1901: Fremveksten av den kjemiske industrien og fargenes alder ( siden er ikke lenger tilgjengelig , søk i webarkiver ) Info: Lenken ble automatisk merket som defekt. Sjekk lenken i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne merknaden. .
- ^ De tidlige årene 1867: AGFA, det hele begynte med farger ( Memento 3. november 2010 i Internettarkivet ).
- ↑ Schering AG, bryllup .
- ↑ 1885–1948: Innovative Beginnings ( Memento av originalen fra 12. oktober 2010 i Internettarkivet ) Info: Arkivkoblingen ble satt inn automatisk og er ikke kontrollert ennå. Vennligst sjekk originalen og arkivkoblingen i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne meldingen. .
- ^ Fakultet for kjemisk og geofag ved Friedrich Schiller University Jena: Instituttets historie ( Memento fra 30. mai 2011 i Internettarkivet )
- ↑ Den lange veien til karbokjemi: bensin fra Böhlen - en (nesten) uendelig historie .
- ^ Nobelprisforelesning av Karl Ziegler (PDF; 633 kB).
- ↑ K.-H. Reichert: Fundamentals of teknisk kjemi I, reaksjonsteknikk, forelesningsnotater fra TU Berlin fra 1982, s. 132-133.
- ^ Vitenskapelig bakgrunn om Nobelprisen i kjemi 2007, Kjemiske prosesser på faste overflater Gerhard Ertl .
- ^ GDCh: Trend Report Technical Chemistry ( Memento 12. oktober 2004 i Internettarkivet ).
- ↑ Rapport om bærekraftig kjemi i innovasjonsrapporten .
- ^ Rapport fra Fraunhofer Institute .
- ↑ Ioniske væsker som en ny materialklasse, rapport i Biotech-LifeScience Portal Baden-Württemberg ( Memento fra 10. mars 2014 i Internettarkivet ).
- ↑ Artikkel om Hyperbranched Polymers ( siden er ikke lenger tilgjengelig , søk i webarkiver ) Info: Lenken ble automatisk merket som defekt. Sjekk lenken i henhold til instruksjonene, og fjern deretter denne merknaden. (PDF; 105 kB).
- ↑ Rapport om forgrenede polymere i innovasjonsrapporten .
- ↑ Kursprofil for teknisk kjemi ved DECHEMA (PDF; 172 kB).
- teknisk kjemi
- Gren av kjemi
- Kjemisk industri
- Ingeniørfag