техническая химия

Оборудование для химического производства

Техническая химия имеет дело с передачей химических реакций и процессов в технических процедур и оптимизации существующих процессов и процедур , с экономической и экологической точки зрения.

В центре внимания исследований и обучения находится разработка катализаторов и процессов , основные механические и термические операции, наука о процессах и инженерия химических реакций .

история

Завод серной кислоты свинцовым камерным способом во второй половине XIX века.

Первые истоки технической химии можно найти в семнадцатом веке благодаря работам Иоганна Рудольфа Глаубера по производству кислот и солей . Глаубер произвел концентрированную соляную кислоту и азотную кислоту и обнаружил глауберову соль, названную в его честь, около 1625 года . Кульминация в технической химии в восемнадцатом веке была развитием ведущего процесса камеры по Джону Робак . Первый процесс с свинцовой камерой был введен в эксплуатацию в Англии еще в 1746 году. Этот процесс несколько раз развивался, особенно Жозефом Луи Гей-Люссаком , который в 1827 году представил так называемую башню Гей-Люссака для извлечения оксидов азота, а также стадию повторного окисления оксида азота атмосферным кислородом в Гловере. Башня, представленная Джоном Гловером в 1859 году .

Знания по технической химии на раннем этапе обобщались в учебниках. Вот как Иоганн Фридрих Гмелин определил техническую химию в своем руководстве по технической химии 1795 года :

Однако история технической химии в полном смысле этого слова связана с развитием химической промышленности как отрасли экономики. С развитием анилиновых красителей по Август Вильгельм Хофманн , это испытал огромный бум, особенно в Германии. Начиная с 1859 года, за несколько лет в Германии было основано множество заводов по производству красок, таких как Boehringer Mannheim , Bayer-Werke , Hoechst , Badische Anilin- und Soda-Fabrik (BASF), Agfa , Schering и Boehringer Ingelheim .

Чтобы устранить несоответствие между требованиями промышленности к выпускникам и университетским образованием, в конце девятнадцатого века по инициативе Немецкого химического общества и Карла Дуйсберга было основано больше институтов технической химии.

Схема процесса Габера-Боша

Синтез аммиака согласно Габеру и Бошу явился важной вехой в технической химии в начале 20 века. Фриц Габер был назначен адъюнкт-профессором технической химии в Университете Карлсруэ в 1898 году , а с 1904 года он занимался производством аммиака. от элементов. Разработка процесса Габера-Боша во многих отношениях поставила перед химией и технологическими процессами проблему. Необходимо было разработать реакторы, которые могли бы выдерживать давление до 300 бар и температуру до 500  ° C , и были разработаны катализаторы , обеспечивающие экономическую отдачу. аммиака разрешено.

В двадцатых и тридцатых годах двадцатого века химия углерода и ацетилена была доминирующими темами в технической химии.

Упрощенная схема переработки нефти
сырье	Средний
процесс	товар

Доступность недорогой сырой нефти после 1950 года и, следовательно, этилена, привела к беспрецедентному расширению промышленного химического производства и, таким образом, к новым разработкам в технической химии. Важным этапом этого времени является разработка способа низкого давления для производства полиэтилена по Karl Ziegler .

Основы

Химические реакции нельзя просто перенести на крупномасштабное промышленное производство. Таким образом, техническая химия занимается вопросом о том, сколько тонн одного и того же продукта может быть произведено на заводе при минимизации производственных затрат. Это делается эмпирически или посредством математической оптимизации на основе модельного описания процесса реакции и реактора. Практически любое химическое производство можно разделить на три этапа:

${\ Displaystyle \ mathrm {подготовка \ к \ реакции \ на \ обработка}}$

Сначала готовятся исходные материалы , на втором этапе происходит собственно реакция . На последнем этапе готовят реакционную смесь. Технологии химических процессов связаны с подготовкой и обработкой, а инженерия химических реакций - с реакциями в промышленном масштабе. Для необходимых расчетов должны быть составлены транспортные, тепловые и временные балансы. Безразмерные показатели ( число Эйлера , число Рейнольдса , число Нуссельта , число Damköhler ) часто используются для облегчения расширения масштабов деятельности .

Техническая химия позволяет эффективно производить основные , промежуточные и конечные продукты. В период с 1970 по 1980 год усовершенствования химических процессов позволили снизить потребность в энергии для химических реакций примерно на 40% при сохранении того же объема производства.

Наука о химических процессах

Бак с мешалкой

Важным аспектом технической химии является понимание сочетания материалов промышленной органической и неорганической химии. Основные химические вещества изначально создаются из органического сырья, сырой нефти, угля и возобновляемого сырья. Из него производится большое количество промежуточных и конечных продуктов.

Наука о химических процессах продолжает исследовать процессы и процедуры реакции наиболее важных промышленных химических продуктов.

Начиная с сырой нефти , природного газа , угля и все более возобновляемого сырья , сначала производятся основные химические продукты, такие как олефины и ароматические углеводороды .

Они перерабатываются в промежуточные продукты, такие как спирты , фенолы , альдегиды , кетоны , карбоновые кислоты или амины .

Конечные продукты химической промышленности, такие как полимеры , моющие средства , пестициды , фармацевтические препараты и красители, производятся из основных и промежуточных продуктов.

Сырье для промышленной неорганической химии включает воздух , серу , хлорид натрия , кокс и воду , из которых конечные продукты, такие как кислоты, щелочи, удобрения, стекло, пигменты, катализаторы и материалы, могут быть получены с помощью нескольких промежуточных стадий, таких как аммиак. и хлор .

Задача технической химии состоит в том, чтобы определить наиболее экономичные технологические маршруты из возможных доступных маршрутов синтеза, в зависимости от наличия сырья и с учетом потребления энергии.

Химические процессы различаются типом проводимой химической реакции, например хлорирование , гидрирование , нитрование , окисление , полимеризация или сульфирование . Энергия может подаваться различными способами, например термически, электрохимически или фотохимически .

Если возможны оба типа реакции, то, помимо технических условий, экономические аспекты могут повлиять на решение о том, будет ли процесс осуществляться непрерывно или прерывисто как периодический процесс. Непрерывные системы подходят для продукта, который производится в больших количествах, в то время как периодический процесс часто обеспечивает большую гибкость в изменении продукта, но за счет производимого количества.

Другими классификационными признаками химических процессов являются количество выполняемых стадий (одно- / многоступенчатое), тепловыделение (эндо / экзотермический) и тип используемого катализа (гомогенный / гетерогенный / биокаталитический).

катализ

Исследования катализа имеют особое значение в технической химии, поскольку около 80% всех химических продуктов проходят каталитический процесс в процессе их производства.

При производстве основных и промежуточных продуктов гетерогенный катализ играет , безусловно, наибольшую роль; при производстве промежуточных и конечных продуктов возрастает значение гомогенных и биокаталитических процессов.

Основываясь на результатах фундаментальных исследований , все чаще делаются попытки поставить катализатор и разработку процессов на наукоемкую основу.

Основные операции

Физические процессы процесса, которые необходимы в дополнение к химическим реакциям, называются основными механическими и термическими операциями. Основные операции - это элементарные шаги в выполнении процедуры.

Они используются для подготовки сырья, например, путем дробления, смешивания реагентов и транспортировки и обработки продуктов с использованием процессов разделения.

Основные механические операции

Флотационная ячейка

Важные механические базовые операции включают процесс объединения материалов, транспортировку и формование, процесс разделения и процесс измельчения твердых веществ.

Методы, используемые для объединения веществ, включают эмульгирование , замешивание, смешивание , гранулирование , прессование , перемешивание , суспендирование , смешивание и распыление. Один из важнейших способов транспортировки - перекачка .

Процессы механического разделения используются, среди прочего, для отделения твердых частиц от жидкостей и газов или жидкостей от газов. Известными методами разделения для разделения являются декантация , электроосаждение , фильтрация , флотация , осаждение , просмотр , просеивание , сортировка и центрифугирование .

Процессы измельчения в основном используются для задания определенного распределения размеров зерен или для увеличения поверхности, например, чтобы ускорить протекание химической реакции. К часто используемым здесь методам относятся дробление , шлифование , шлифование, разрывание и резка .

Основные термические операции

Диаграмма Маккейба-Тиле

Вещества можно разделить или объединить с помощью основных термических операций. В зависимости от типа фаз различают следующие основные термические операции:

• Газ-жидкость: ректификация , абсорбция
• Жидкость-жидкость: экстракция жидкость-жидкость
• Твердое тело-жидкость: кристаллизация
• Газ-твердое тело: адсорбция

Безусловно, наиболее часто используемым методом разделения материалов является ректификация, которая может проводиться в одну стадию в виде дистилляции или в несколько стадий в непрерывном или прерывистом процессе. В прошлом ректификационные колонны часто проектировались в соответствии с графическим методом МакКейба-Тиле .

Химическая реакционная инженерия

→ Основная статья: Химическая реакционная инженерия

Инженерия химических реакций занимается проектированием химических реакторов при заданных условиях реакции, таких как давление и температура, материальный и энергетический баланс и макрокинетика реакции, с целью минимизации капиталовложений и эксплуатационных расходов реактора с оптимальной производительностью.

Примерами основных типов химических реакторов являются трубчатый реактор , резервуар с мешалкой и резервуар с мешалкой непрерывного действия . Время пребывания является важным параметром для этих типов реакторов . Упрощенные математические модели этих типов реакторов называются идеальными реакторами .

Последние достижения

Последние достижения в области технической химии характеризуются возрастающим давлением на экономическую эффективность и экологичность процессов, а также все более дефицитными поставками наиболее важных сырьевых материалов, особенно сырой нефти. Тенденция Техническая химия доклад , опубликованный в GDCh дается обзор наиболее важных тенденций . Примерами недавних разработок являются использование биомассы в качестве химического сырья, технология микрореакции и использование новых растворителей.

• Устойчивая химия: прежде всего исследуется использование биомассы в качестве химического сырья. Исследования сосредоточены на выборе и переработке возобновляемого сырья, их последующем химическом составе и взаимодействии с биотехнологиями .
• Технология микрореакции : технология микрореакции использует компоненты для проведения химических реакций с размером частиц от миллиметра до сантиметра. Целью исследований является разработка микрореакторов и изучение химических реакций в условиях микрореакций, поскольку здесь обычно не возникает проблем со смешиванием, диффузией или теплопередачей.
• Новые растворители: при проведении гомогенно-каталитических процессов извлечение катализатора и отделение продуктов от растворителя часто имеют решающее значение для экономической жизнеспособности процесса. Предпринимаются попытки проводить реакции в сверхкритических растворителях , ионных жидкостях или в воде. Ионные жидкости - это соли, которые становятся жидкими при комнатной температуре или немного выше. Выбирая подходящие пары катион / анион , можно целенаправленно задавать свойства этих жидкостей в широком диапазоне. Из-за своей ионной природы они трудно летучие и обладают свойствами, которые сильно отличаются от обычных органических растворителей. Вода в качестве растворителя часто дает преимущество в том, что органический продукт, образующийся в гомогенной каталитической реакции, не смешивается с водой и, следовательно, позволяет легко разделить. Также исследуется использование сверхразветвленных полимеров .

Обучение и исследования

У DECHEMA есть учебная программа «Техническая химия», которая использовалась в качестве руководства для университетского образования, которое реализуется в большинстве университетов и технических колледжей.

литература

Общие учебники

• М. Бернс , А. Бер , А. Брем, Дж. Гмелинг , Х. Хофманн , У. Онкен, А. Ренкен: Technische Chemie , Wiley-VCH 2006, ISBN 3-527-31094-0 .
• HG Vogel: Учебник по химической технологии , Wiley-VCH 2004, ISBN 3-527-31094-0 .
• HG Vogel: Разработка процессов , Wiley-VCH 2002, ISBN 3-527-28721-3 .
• М. Якубит: Основные операции и инженерия химических реакций - Введение в техническую химию , Wiley-VCH, 2002, ISBN 3-527-28870-8 .
• Г. Эмиг , Э. Клемм: Техническая химия: Введение в технологию химических реакций , 568 страниц, Verlag Springer, 2005, ISBN 978-3-540-23452-4 .

Специальные предметные области

• М. Вехтер: вещества, частицы, реакции . Verlag Handwerk und Technik, Гамбург 2000, ISBN 3-582-01235-2 .
• Дж. Хаген: Технология химических реакций - Введение с упражнениями , VCH-Verlag, Weinheim, 1992.
• К. Дайлер, У. Онкен, К. Лешонски : Основные характеристики технологического процесса и разработки реакций , Hanser-Verlag, Мюнхен, 1984.
• О. Левеншпиль : Омнибук химического реактора , Осу-Верлаг, Орегон, 1993.
• HJ Arpe: Промышленная органическая химия , Wiley-VCH, ISBN 3-527-30578-5 .
• Коллектив авторов: Учебник технологии химических процессов , VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindindustrie, Лейпциг, 1980 г.
• Р. Тертон, Р. К. Бейли, В. Б. Уайтинг и Дж. С. Шейвиц: анализ, синтез и разработка химических процессов , Прентис Холл, 2002, ISBN 0-13-064792-6 .

Справочная литература

• Э. Бартоломе, Э. Бикерт, Х. Хеллманн, Ullmanns Encyklopadie der Technischen Chemie , 25 томов, Wiley-VCH, 1984, ISBN 3-527-20000-2 .
• Р. Диттмайер, В. Кейм , Г. Крейса , К. Виннакер , Л. Кюхлер, Виннакер-Кюхлер: Химическая технология: Методические основы: Химическая технология: Том 1 , 919 страниц, Wiley-VCH, ISBN 978-3-527 -30767-8 .
• RE Кирк и Д.Ф. Отмер: Энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера , Wiley-Interscience, 2001, ISBN 0-471-41961-3 .

Журналы

• Технологический инженер-химик , WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.
• Промышленная и инженерная химия, опубликованная Американским химическим обществом , Вашингтон, округ Колумбия.
• Химическая инженерия, Elsevier BV

Специальные предметные области

• Advanced Materials , Wiley-VCH Verlag, Weinheim.
• Письма о кинетике и катализе реакций, Springer Science & Business Media BV

веб ссылки

Викисловарь: техническая химия  - объяснение значений, происхождение слов, синонимы, переводы

• www.lectures4you.de - Подборка бесплатных учебных предложений по технической химии в Интернете.

Индивидуальные доказательства

1. ^ Х. Ост: Учебник технической химии , изданный Робертом Оппенгеймом, Берлин, 1890, стр. 53.
2. ↑ Эрих Питч:  Глаубер, Иоганн Рудольф. В: Новая немецкая биография (NDB). Volume 6, Duncker & Humblot, Berlin 1964, ISBN 3-428-00187-7 , p. 437 f. ( Оцифрованная версия ).
3. ↑ Неорганическая химия , Эрвин Ридель , Кристоф Джаниак .
4. ↑ Справочник по технической химии, том 1 , Иоганна Фридриха Гмелина, 1795 г.
5. ↑ Хроника города Мангейм - вехи XIX века .
6. ↑ Bayer AG История компании Bayer: годы основания (1863–1881) .
7. ↑ Хёхст индустриального парка - история успеха ( Memento из с оригинала с 8 июля 2010 года в Internet Archive ) Info: архив ссылка была вставлена автоматически и еще не была проверена. Пожалуйста, проверьте исходную и архивную ссылку в соответствии с инструкциями, а затем удалите это уведомление. . @ 1@ 2Шаблон: Webachiv / IABot / www.ihr-nachbar.de
8. ↑ 1865–1901: Возникновение химической промышленности и эра красок  ( страница больше не доступна , поиск в веб-архивах )  Информация: ссылка была автоматически помечена как дефектная. Проверьте ссылку в соответствии с инструкциями и удалите это уведомление. .@ 1@ 2Шаблон: Dead Link / www.basf.com  
9. ↑ Ранние годы 1867: AGFA, все началось с цвета ( памятная записка от 3 ноября 2010 г. в Интернет-архиве ).
10. ↑ Schering AG, Свадьба .
11. ↑ 1885-1948: Инновационные Beginnings ( сувенир в оригинальном датированном 12 октября 2010 в Internet Archive ) Info: архив ссылка была вставлена автоматически и еще не была проверена. Пожалуйста, проверьте исходную и архивную ссылку в соответствии с инструкциями, а затем удалите это уведомление. . @ 1@ 2Шаблон: Webachiv / IABot / www.boehringer-ingelheim.de
12. ^ Факультет химии и наук о Земле Йенского университета имени Фридриха Шиллера: История института ( памятная записка от 30 мая 2011 г. в Интернет-архиве )
13. ↑ Долгий путь к химии углерода: Бензин из Бёлена - (почти) бесконечная история .
14. ↑ Лекция Карла Циглера, лауреата Нобелевской премии (PDF; 633 kB).
15. ↑ К.-Х. Райхерт: Основы технической химии I, реакционная техника, конспект лекций Берлинского технического университета 1982 г., стр. 132-133.
16. ^ Научное обоснование Нобелевской премии по химии 2007 г., Химические процессы на твердых поверхностях Герхард Эртл .
17. ^ GDCh: Trend Report Техническая химия ( Memento от 12 октября 2004 года в Internet Archive ).
18. ↑ Отчет об устойчивой химии в инновационном отчете .
19. ^ Отчет Института Фраунгофера .
20. ↑ Ионные жидкости как новый класс материалов, отчет на портале Biotech-LifeScience, Баден-Вюртемберг ( памятная записка от 10 марта 2014 г. в Интернет-архиве ).
21. ↑ Статья о сверхразветвленных полимерах  ( страница больше не доступна , поиск в веб-архивах )  Информация: ссылка была автоматически помечена как дефектная. Проверьте ссылку в соответствии с инструкциями и удалите это уведомление. (PDF; 105 кБ).@ 1@ 2Шаблон: Dead Link / www.perstorp.fi  
22. ↑ Отчет о гибридных полимерах в отчете об инновациях .
23. ↑ Профиль курса технической химии в DECHEMA (PDF; 172 kB).