Ein neues chemisches Produkt nimmt seinen Anfang immer in den Glasapparaturen eines Labors. Hier zunächst in Größenordnungen von wenigen Gramm hergestellt, wird es später vielleicht in riesigen Mengen benötigt - bei Kunststoffen und Düngemitteln sogar bis zu mehreren Millionen Tonnen pro Jahr. Dieses zu bewerkstelligen, also labormäßige Verfahren in eine großtechnische Produktion zu übertragen, ist Gegenstand der chemischen Verfahrenstechnik.
Was ist eine Chemieanlage?
Viele Prozesse in der Chemischen Verfahrenstechnik haben im Grunde genommen eine gewisse Ähnlichkeit mit den einfachen Verfahren, wie sie z. B. in einer Küche ablaufen. Hinzu kommt aber, dass sich die Verfahrenstechnik auch mit dem Entwurf, dem Bau und dem möglichst rationellen Betrieb großtechnischer Einrichtungen zu befassen hat. Unter dem Sammelbegriff »Chemieanlagen« geführt, finden hier jedoch nicht nur rein chemische Prozesse statt, sondern auch physikalische Vorgänge wie Verdampfung, Destillation, Verflüssigung und Filtration.
Der Entwurf einer Chemieanlage und ihrer Ausrüstung stellt ein eigenständiges, wenn auch mit vielen anderen Bereichen verzahntes Gebiet dar. An dieser Aufgabe wirken daher nicht nur Chemiker mit - die sich vornehmlich mit den chemischen Problemen zu beschäftigen haben -, sondern auch Ingenieure und Wissenschaftler aus den verschiedensten Fachrichtungen. Sie berechnen z. B., wie ein Druckbehälter für den Crackprozess (thermisches Spalten langkettiger Kohlenwasserstoffe) gestaltet und dimensioniert werden muss und welches Material dafür am besten geeignet ist, welche Antriebsleistung die Pumpen aufbringen müssen, wie viel Energie zum Erhitzen der Ausgangsprodukte oder zum Kühlen der Reaktionsprodukte benötigt wird und wie die Reaktionsprodukte am besten voneinander getrennt werden können.
Darüber hinaus werden beim Entwurf einer neuen Anlage - oder bei Änderungen in einer bestehenden - immer auch Erfahrungen aus anderen Herstellungsprozessen und ähnlichen Einrichtungen Eingang finden. Eine besonders große Bedeutung kommt dabei dem wirtschaftlichen Betrieb zu. Um den insgesamt »optimalen Verfahrensablauf« ermitteln und mit anderen Herstellern konkurrieren zu können, ist daher auch der Computer ein unerlässliches Hilfsmittel des Verfahrensingenieurs.
Von der Theorie zur Praxis
Der Leitgedanke der chemischen Verfahrenstechnik bei der Herstellung bestimmter Produkte wie Säuren, Farbstoffe oder Arzneimittel ist es, die dabei ablaufenden chemischen Prozesse in viele Einzelschritte zu zerlegen. Diese sind häufig unabhängig von den zu verarbeitenden Stoffen, so dass sich eine allgemeingültige Vorgehensweise entwickelt hat. Zu diesen Einzelschritten zählen Destillation, Filtration, Mischung, Zerlegung und Kristallisation. Bei vielen dieser Verfahrensschritte werden Erkenntnisse aus den Gebieten der Thermodynamik, des Wärmeübergangs, des Stoffaustausches und der Stofftrennung sowie der Dynamik der Flüssigkeiten und Gase benötigt.
Der Chemieingenieur muss sich auch darüber im klaren sein, welche Reaktionen möglich sind, wenn die Stoffmengen gesteigert werden. Oft laufen die Reaktionen in einem großen Behälter anders ab als in einem kleinen, da hier die Moleküle inniger miteinander vermischt werden und rascher miteinander reagieren können. Aber auch Rührwerke können in kleinen Behältern effektiver arbeiten als in großen, außerdem sind die Probleme der Wärmezufuhr oder -abfuhr leichter zu beherrschen. Wird beispielsweise Urannitrat im Labormaßstab mit einer Ammoniaklösung versetzt, so fällt das entstehende Ammoniumdiuranat augenblicklich aus. Im großtechnischen Maßstab kann sich diese Reaktion über Stunden hinziehen - wesentlichen Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit hat dabei die Auslegung der Pumpen und der Rührwerke. Ein anderes Beispiel ist Nitrobenzol: Bei seiner labormäßigen Gewinnung in einem Glaskolben wird die Reaktionswärme einfach durch ein Wasserbad abgeführt, im großtechnischen Maßstab wählt man dafür einen Reaktionsbehälter mit besonders großer Oberfläche zur raschen Wärmeabfuhr, aber nicht etwa aus Glas, sondern - wegen seiner höheren Wärmeleitfähigkeit - aus Metall.
Das Verdampfen einer Flüssigkeit lässt sich im Labor über einer Flamme einfach durchführen, vorausgesetzt dass keine brennbaren Gase entstehen. Großtechnisch werden auch für diesen Vorgang metallische Reaktionsbehälter benötigt, die die Wärmeenergie rasch von der Wärmequelle der zu verdampfenden Flüssigkeit zuleiten. Während man im Labor einen Rührvorgang einfach mit dem Glasstab durchführt, ist im Großen ein aufwendiges Rührwerk erforderlich. Schließlich muss sichergestellt sein, dass die Materialien, die mit den Chemikalien in Berührung kommen, diesen widerstehen können, sich andererseits aber auch noch wirtschaftlich verarbeiten lassen. Aus all diesen Gesichtspunkten muss der Verfahrensingenieur die jeweils für Produktion und Kosten optimale Lösung finden.
Die biochemische Verfahrenstechnik
Speziell mit molekularbiologischen Vorgängen befasst sich die biochemische Verfahrenstechnik. Ein bedeutender Zweig ist dabei die Gewinnung von Eiweißstoffen (Proteinen) aus Erdöl, um damit Tierfuttermittel zu schaffen. Auch neuartige Fermentationsprozesse zur Herstellung von Antibiotika und Vitaminen gehören in dieses Gebiet - einschließlich der Verfahren, diese Stoffe zu extrahieren und zum Endprodukt zu konzentrieren.
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