EUROPA-FACHBUCHREIHE

für Chemieberufe

CHEMIETECHNIK

von

Dr.-Ing. Eckhard Ignatowitz

unter Mitwirkung von

OStR Gerhard Fastert

12. Auflage

VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL · Nourney, Vollmer GmbH & Co. KGDüsselberger Straße 23 · 42781 Haan-Gruiten

Europa-Nr.: 70415

Der Autor Dr.-Ing. Eckhard Ignatowitz studierte an der Technischen Universität Karlsruhe – heutige Bezeichnung: Karlsruher Institut für Technik (KIT) – Maschinenbau und Verfahrens-technik. Anschließend arbeitete er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für ChemischeTechnik der Universität Karlsruhe und promovierte dort zum Dr.-Ing.

Danach war er langjährig als Studienrat an beruflichen Schulen tätig und ist Autor zahlreicherLehrbücher für den Berufsschul- und Technikerbereich.

Der Mitautor OStR Gerhard Fastert studierte an der Universität Hamburg das Lehramt für be-rufliche Schulen Fachrichtung Chemie/Chemietechnik und unterrichtete als Oberstudienrat aneiner Gewerbeschule für Chemieberufe.

Entwurf der Bilder: Dr. E. Ignatowitz, zum Teil unter Einbeziehung von Firmenvorlagen.

Fotos: Leihgaben von Firmen und Fachinstituten (Auflistung Seite 606).

Das Buchtitelbild wurde mit freundlicher Unterstützung der Firma Buss-SMS-CanzlerGmbH/Butzbach erstellt.

Diesem Buch liegen die neuesten Ausgaben der Normen und VDI-Richtlinien zugrunde. Ver-bindlich sind nur die Normen und VDI-Richtlinien selbst.

Bezug der Normen und VDI-Richtlinien über: Beuth-Verlag GmbH, Burggrafenstr. 6, 10787 Berlin

12. Auflage 2015 – unveränderter Nachdruck 2019 – keine Änderungen seit der 1. QuoteDruck 5 4 Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Korrektur vonDruck fehlern untereinander unverändert sind.

ISBN 978-3-8085-7120-0

Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außer-halb der gesetzlich geregelten Fälle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden.

© 2015 by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, 42781 Haan-Gruitenhttp://www.europa-lehrmittel.de

Satz & Layout: rkt, 51379 Leverkusen, www.rktypo.comDruck: mediaprint solutions GmbH, 33100 Paderborn

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Vorwort

Das vorliegende Buch CHEMIETECHNIK ist ein Lehr- und Lernbuch für alle, die im Entwicklungs- und Produktionsbereich der Chemischen Industrie arbeiten und ausgebildet werden, sowie für die, die in diesem Fachgebiet studieren, sich informieren und weiterbilden wollen.Es ist für den Unterricht in Berufsschulen und Technikerschulen, für das Studium an Fachhochschulen sowie für die betriebliche Ausbildung und die persönliche Fortbildung geeignet.Es gibt einen Überblick über den Aufbau von Chemieanlagen und die Funktion ihrer Komponenten sowieeine Einführung in die chemische Verfahrenstechnik einschließlich der Mess-, Steuer-, Regelungs- undProzessleittechnik. Ebenso werden der Umweltschutz und die Arbeitssicherheit behandelt.Insbesondere kann es als Lernhilfe für die Auszubildenden der Chemieberufe in der betrieblichen undschulischen Ausbildung eingesetzt werden. In Deutschland zum Chemikant/in, Produktionsfachkraft Chemie, Chemisch-technische(r) Assistent/in und Operateur/in – Chemische Technik. In Österreich zumChemieverfahrenstechniker, in der Schweiz zum Chemietechnologen.In Teilen ist es geeignet für die Ausbildung zur Fachkraft für Wasserversorgung und Abwassertechnik,zum Pharmatechnologen, zum Anlagenmechaniker, zum Rohrleitungs- und Behälterbauer.Auch für die vielen in der Chemieproduktion eingesetzten Mitarbeiter/innen, die keine Berufsausbildungin Berufsbereich Chemietechnik erfahren haben, ist das Buch eine wertvolle Hilfe zur beruflichen Weiter-bildung und zum beruflichen Weiterkommen.Bestens einsetzbar ist es für die Ausbildung zum Industriemeister/in – Fachrichtung Chemie sowie zumChemotechniker im Fach Betriebs- und Produktionstechnik.Für Studenten/Studentinnen des Chemieingenieurwesens und der Chemie liefert es eine umfassende Einführung in die chemische Technik.Das Buch CHEMIETECHNIK ist stoffsystematisch aufgebaut und in abgeschlossene Sachgebiete gegliedert. Dieser modulare Aufbau ermöglicht eine Behandlung der Sachgebiete in der Reihenfolge desBuches, aber auch in einer veränderten Abfolge oder eine getrennte Bearbeitung.Das Buch ist in einer klaren Sprache abgefasst. Die notwendigen Fachausdrücke werden eingeführt underläutert. Die wichtigen Fachausdrücke sind auch in Englisch angegeben.Über 2000 farbige Abbildungen, Fotos und grafische Darstellungen sowie eine Vielzahl von Tabellen dienen zur Anschauung, Erläuterung und Unterstützung des Textes.Die einzelnen Sachgebiete werden durch Erläuterungen der physikalischen und chemischen Grundlageneingeführt. Im Anschluss werden die Verfahren sowie die Apparate, Maschinen und Anlagen behandelt.Dadurch wird ein Verstehen und konstruktives Durchdenken der Themen ermöglicht.Formelmäßige Gesetzmäßigkeiten werden durch Übungsbeispiele untermauert. Anschließend gestellteAufgaben fordern zu weiterer Vertiefung auf. Merksätze fassen die wesentlichen Erkenntnisse in Kurz-form zusammen und erleichtern dem Lernenden das Speichern des Wissens.Am Ende jedes Kapitels folgen Aufgaben und Wiederholungsfragen, die sich aus dem Buchtext bearbei-ten lassen. Sie dienen der weiteren Festigung des erworbenen Wissens und können dem Lehrer oderAusbilder eine Anregung für die Bereicherung seines Unterrichts sein.Ab Seite 582 sind die Lernfelder des Ausbildungsberufs Chemikant(in) gemäß KMK-Rahmenlehrplanaufgelistet und Vorschläge für die Zuordnung zu den Inhalten im Buch CHEMIETECHNIK gemacht.Ein ausführliches Sachwortverzeichnis am Ende des Buches ermöglicht das Auf finden von Textstellen.Das Sachwortverzeichnis enthält die englische Übersetzung der Fachausdrücke. Es kann als Sachwort- Lexikon genutzt werden.In der vorliegenden 12. Auflage wurden folgende Inhalte neu aufgenommen bzw. ergänzt: Projektierungvon Chemieanlagen (Seite 114), Temperatur- und Druckmessung (Seite 240 bis 248), Auswertung derSiebanalyse (Seite 274 ff), Qualitätswerkzeuge (Seite 294 bis 300), Absorption (Seite 396 ff), Beispiel einerRektifikationsaufgabe (Seite 454), Einfluss der Einlaufhöhe bei Rektifikationskolonnen auf die Trenn -wirkung (Seite 455), Flüssig-Flüssig-Extraktion (Seite 468 bis 478).Autor und Verlag freuen sich über konstruktive Verbesserungsvorschläge an lektorat@europa-lehrmit-tel.de.

Winter 2014/2015 Dr. Eckhard Ignatowitz

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Chemie und Umwelt _________________________________ 11Sicherheit im Chemiebetrieb _______________________ 12Einführung in die Chemietechnik__________________ 14Entwicklung eines Produktionsverfahrens ______ 17

I Die Chemieanlage 18

1 Rohrleitungen _________________________________ 191.1 Die Nennweite DN____________________________ 191.2 Der Nenndruck PN____________________________ 201.3 Rohre und Rohrmaße für Rohrleitungen 211.4 Rohrformstücke _______________________________ 231.5 Rohrverbindungen ___________________________ 231.6 Werkstoffe für Rohrleitungen ______________ 261.7 Rohrleitungklassen___________________________ 271.8 Rohrbefestigungen __________________________ 281.9 Kennzeichnung von Rohrleitungen _______ 281.10 Rohrdehnungsausgleich ____________________ 301.11 Rohrisolierungen _____________________________ 311.12 Grafische Darstellung der Rohrleitungen 322 Armaturen______________________________________ 342.1 Schieber, Klappen, Hähne __________________ 342.2 Ventile ___________________________________________ 352.2.1 Absperr- und Regelventile __________________ 352.2.2 Stellantriebe für Armaturen ________________ 372.2.3 Geregelte Ventile______________________________ 382.2.4 Darstellung der Armaturen im

R&I-Fließschema _____________________________ 382.3 Rohrleitungs-Einbauscheiben______________ 382.4 Rückflussverhinderer ________________________ 392.5 Sicherheitsventile_____________________________ 402.6 Berstsicherungen _____________________________ 412.7 Druckminderventile (Druckminderer) ____ 422.8 Kondensatableiter ____________________________ 432.9 Entlüfter_________________________________________ 452.10 Schmutzfänger ________________________________ 453 Strömungstechnische Vorgänge

in Rohrleitungen ______________________________ 463.1 Volumenstrom, Massenstrom,

Strömungsgeschwindigkeit ________________ 463.2 Strömung in veränderten

Rohrquerschnitten____________________________ 473.3 Druckänderung bei der Strömung in

veränderten Rohrquerschnitten ___________ 473.4 Innere Reibung, Viskosität __________________ 483.5 Strömungsarten_______________________________ 493.6 Druckverlust in Rohrleitungen _____________ 503.7 Rohrleitungskennlinie _______________________ 513.8 Druckverlauf in Rohrleitungen_____________ 524 Fördern von Flüssigkeiten __________________ 534.1 Übersicht der Förderarten __________________ 534.2 Fördern mit Pumpen_________________________ 544.3 Kreiselpumpen ________________________________ 544.3.1 Aufbau und Wirkungsweise ________________ 544.3.2 Pumpenlaufräder _____________________________ 554.3.3 Kreiselpumpen-Bauarten ___________________ 564.3.4 Wellenabdichtung bei Kreiselpumpen ___ 574.3.5 Kreiselpumpenanlage _______________________ 57

4.3.6 Sonderbauarten von Kreiselpumpen ____ 584.3.7 Einsatz von Kreiselpumpen ________________ 584.3.8 Seitenkanalpumpe ___________________________ 594.3.9 Propellerpumpe_______________________________ 594.4 Betriebsverhalten von Kreiselpumpen __ 604.4.1 Förderstrom und Förderhöhe einer

Pumpe___________________________________________ 604.4.2 Förderhöhe einer Anlage ___________________ 604.4.3 Leistungsbedarf und Wirkungsgrad

einer Pumpe ___________________________________ 614 4.4 Kennlinien einer Kreiselpumpe____________ 614.4.5 Anlagenkennlinie _____________________________ 614.4.6 Betriebspunkt einer Kreiselpumpe _______ 624.4.7 Zusammenschalten von Pumpen _________ 624.4.8 Kennfelder von Kreiselpumpen ___________ 634.4.9 Kavitation bei Kreiselpumpen _____________ 634.4.10 Berechnung des kavitationsfreien

Pumpenbetriebs, NPSH-Wert ______________ 644.4.11 Anfahren und Abschalten von

Kreiselpumpen ________________________________ 664.5 Hubkolbenpumpen___________________________ 674.5.1 Aufbau und Arbeitsweise von

Hubkolbenpumpen___________________________ 674.5.2 Merkmale und Verwendung________________ 684.6 Kolben-Membranpumpen __________________ 684.7 Umlaufkolbenpumpen ______________________ 694.7.1 Schraubenspindelpumpen _________________ 694.7.2 Exzenterschneckenpumpen ________________ 694.7.3 Zahnradpumpen ______________________________ 694.7.4 Impellerpumpen ______________________________ 704.7.5 Schlauchpumpen _____________________________ 704.8 Strahlpumpe___________________________________ 704.9 Übersicht: Eigenschaften und

Einsatzgebiete von Pumpen________________ 714.10 Dosieren von Flüssigkeiten_________________ 724.11 Dosieren und Reinigen durch Molchen__ 725 Fördern und Verdichten von Gasen_______ 755.1 Gesetzmäßigkeiten bei Zustands-

änderungen einer Gasportion _____________ 755.2 Vorgänge beim Verdichten von Gasen___ 775.3 Fördereinrichtungen und Verdichter

für Gase_________________________________________ 775.4 Hubkolbenverdichter_________________________ 785.5 Rotationskolbenverdichter__________________ 805.6 Turboverdichter _______________________________ 815.7 Gebläse _________________________________________ 825.8 Ventilatoren ____________________________________ 826 Erzeugung von Unterdruck

(Vakuumtechnik)______________________________ 846.1 Flüssigkeitsringvakuumpumpen __________ 846.2 Treibmittelvakuumpumpen_________________ 856.3 Kombinierte Strahlpumpensysteme _____ 856.4 Rotationsverdränger-Vakuumpumpen ___ 866.5 Diffusionsvakuumpumpen _________________ 886.6 Turbo-Molekularpumpen ___________________ 886.7 Einsatz der geeigneten Vakuumpumpe__ 886.7.1 Abpumpen von trockenen Gasen_________ 896.7.2 Abpumpen von dampfhaltigen Gasen___ 89

Inhaltsverzeichnis

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Inhaltsverzeichnis 5

7 Fördern von Feststoffen_____________________ 907.1 Beschreibung von Schüttgütern __________ 907.2 Mechanische Schüttgutförderer ___________ 917.3 Pneumatische Schüttgutförderer__________ 947.4 Schüttgutdosierer_____________________________ 957.5 Förderanlagen für Stückgut ________________ 967.6 Unstetigförderer ______________________________ 977.7 Handhabung: Schüttgüter und Stückgut 988 Lagerung und Transport von

Chemikalien____________________________________ 1008.1 Lager für Schüttgüter ________________________ 1008.2 Stückgutlagerung_____________________________ 1028.3 Lagern von Flüssigkeiten ___________________ 1038.4 Handbabung und Transport brennbarer

und giftiger Flüssigkeiten___________________ 1068.5 Lagerung von Gasen_________________________ 1079 Übersicht der Maschinen und Apparate 1109.1 Elektromotoren und Getriebe______________ 1109.2 Rührbehälter (Rührkessel)__________________ 1119.3 Zerkleinerungsmaschinen __________________ 1129.4 Filtrierapparate ________________________________ 1129.5 Wärmetauscher _______________________________ 1139.6 Rektifikationskolonnen ______________________ 11310 Projektierung von Chemieapparaten_____ 11411 Zeichnerische Darstellung der

Chemieanlage _________________________________ 11611.1 Grundfließschema____________________________ 11611.2 Verfahrensfließschema ______________________ 11711.3 Rohrleitungs- und Instrumenten-

fließschema (R&I -Fließschema) __________ 11911.4 Beispiele von R&I -Fließschemata

technischer Anlagen _________________________ 12011.5 Grafische Symbole in Fließschemata ____ 12212 Betrieb und Instandhaltung _______________ 12612.1 Betrieb einer Chemieanlage _______________ 12612.2 Instandhaltung einer Chemieanlage _____ 12612.2.1 Wartung _________________________________________ 12612.2.2 Inspektionen ___________________________________ 12912.2.3 Instandsetzung ________________________________ 13013 Sicherheit von Chemieanlagen____________ 13013.1 Betriebssicherheitsverordnung____________ 13113.2 Sicherheitskonzept einer Chemieanlage 13213.3 Schutzmaßnahmen gegen

Explosionsgefahr ____________________________ 13414 Unfallverhütung und Arbeitssicherheit __ 13613.1 Gefährliche Arbeitsbereiche________________ 13614.2 Brand- und Explosionsschutz ______________ 13814.2.1 Brand- und explosionsgefährliche Stoffe 13814.2.2 Vermeiden von Bränden und

Explosionen____________________________________ 13914.2.3 Brandbekämpfung und Brandschutz_____ 13914.3 Umgang mit gesundheitsschädlichen

Stoffen __________________________________________ 14014.4 Kennzeichnung von Gefahrstoffen________ 14014.4.1 Gefahrstoffpiktogramme nach GHS______ 14014.4.2 H-Sätze und P-Sätze __________________________ 14014.4.3 Alte Gefahrstoff-Kennzeichnung __________ 14014.5 Arten von Gefahrstoffen ____________________ 14214.5.1 Ätzende Stoffe_________________________________ 14214.5.2 Ätz- und Reizgase_____________________________ 143

14.5.3 Atemgifte _______________________________________ 14314.5.4 Erstickende Gase _____________________________ 14314.5.5 Lösemittel und giftige Flüssigkeiten _____ 14414.5.6 Feste Giftstoffe ________________________________ 14414.5.7 Langzeit-Schadstoffe ________________________ 14514.5.8 Arbeitsplatzgrenzwerte______________________ 14614.6 Vermeiden von Gesundheitsschäden

durch physikalische Einwirkungen________ 14714.6.1 Lärmschutz_____________________________________ 14714.6.2 Strahlenschutz_________________________________ 147

II Elektrotechnik im Chemiebetrieb 148

1 Elektrotechnische Grundlagen ____________ 1481.1 Anwendungen der Elektrizität _____________ 1481.2 Grundbegriffe der Elektrotechnik _________ 1491.3 Elektrische Grundgrößen ___________________ 1501.4 Ohm’sches Gesetz ____________________________ 1511.5 Elektrische Leistung, Arbeit,

Wirkungsgrad _________________________________ 1521.6 Elektrische Schaltung von Verbrauchern 1531.7 Messen elektrischer Größen _______________ 1541.8 Stromarten _____________________________________ 1552 Stromversorgung und sicherer

Umgang mit der Elektrizität _______________ 1562.1 Leitungsnetz und elektrischer Anschluss 1562.2 Elektrische Installation und Anschlüsse _ 1572.3 Schutzmaßnahmen für elektrische

Betriebsmittel__________________________________ 1582.4 Mögliche Fehler an stromführenden

Geräten _________________________________________ 1592.5 Gefahren durch den elektrischen Strom 1592.6 Sicherer Umgang mit stromführenden

Leitungen und Maschinen __________________ 1602.7 Bildzeichen auf elektrischen Geräten

und Maschinen________________________________ 1603 Elektrische Antriebsmaschinen in

Chemieanlagen _______________________________ 1613.1 Elektromotoren________________________________ 1613.1.1 Drehstrom-Kurzschlussläufermotoren ___ 1613.1.2 Gleichstrommotoren_________________________ 1643.1.3 Motorschutzarten _____________________________ 1663.2 Getriebe für Elektromotoren _______________ 1663.2.1 Keilriemengetriebe ___________________________ 1663.2.2 Zahnrädergetriebe____________________________ 1673.2.3 Kurvenscheiben-Getriebe ___________________ 1683.2.4 Stufenscheibengetriebe _____________________ 1693.2.5 Umschlingungsgetriebe_____________________ 1694 Elektrochemische Grundlagen_____________ 1704.1 Galvanische Elemente_______________________ 1704.2 Elektrolyse______________________________________ 1724.2.1 Elektrolyse wässriger Lösungen __________ 1724.2.2 Faraday’sche Gesetze ________________________ 1734.2.3 Technische Elektrolyse-Verfahren _________ 173

III Bauteile in Maschinen und Apparaten 175

1 Elemente für drehende Bewegungen____ 1751.1 Wellen, Achsen, Bolzen______________________ 1751.2 Zahnräder ______________________________________ 1761.3 Welle-Nabe-Verbindungen _________________ 1771.4 Wellenkupplungen ___________________________ 178

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2 Lager ____________________________________________ 1792.1 Gleitlager _______________________________________ 1792.2 Wälzlager _______________________________________ 1793 Dichtungen_____________________________________ 1803.1 Dichtungen an nicht bewegten Flächen _ 1803.2 Wellendichtungen ____________________________ 1804 Fügeteile für Maschinen und Apparate __ 1824.1 Schraubenverbindungen____________________ 1824.2 Schraubenarten _______________________________ 1834.3 Muttern _________________________________________ 1844.4 Schraubensicherungen ______________________ 1844.5 Festigkeitsklassen von Schrauben und

Muttern _________________________________________ 1844.6 Stifte _____________________________________________ 1845 Deckelverschlüsse ____________________________ 1856 Schweiß- und Lötverbindungen __________ 1866.1 Lichtbogenhandschweißen_________________ 1866.2 Schutzgas-Schweißen (SG-Schweißen)__ 1866.3 Gasschmelzschweißen ______________________ 1876.4 Löten ____________________________________________ 1877 Hydrauliksysteme in Maschinen __________ 1888 Pneumatik im Chemiebetrieb _____________ 190

IV Werkstofftechnik für Chemieanlagen 192

1 Einteilung der Werk- und Hilfsstoffe______ 1922 Eigenschaften der Werkstoffe ______________ 1942.1 Physikalische Eigenschaften _______________ 1942.2 Mechanische Eigenschaften ________________ 1952.3 Chemisch-technologische Eigenschaften 1962.4 Fertigungstechnische Eigenschaften _____ 1972.5 Umweltverträglichkeit _______________________ 1973 Stähle ___________________________________________ 1983.1 Baustähle für mechanische

Beanspruchung _______________________________ 1983.2 Baustähle für mechanische und

thermische Belastung _______________________ 2013.3 Baustähle für chemische Belastung:

Die nichtrostenden Stähle __________________ 2023.4 Werkzeugstähle _______________________________ 2044 Gusseisen und Stahlguss___________________ 2064.1 Gusseisen ______________________________________ 2064.2 Stahlguss _______________________________________ 2075 Nichteisenmetalle (NE-Metalle) ___________ 2085.1 Aluminium und Aluminiumlegierungen 2085.2 Kupfer und Kupferlegierungen ____________ 2095.3 Nickel-Werkstoffe _____________________________ 2105.4 Titan (Ti) ________________________________________ 2115.5 Blei (Pb)_________________________________________ 2115.6 Die Sondermetalle Zirkonium (Zr)

und Tantal (Ta) _________________________________ 2125.7 Zink (Zn) ________________________________________ 2125.8 Zinn (Sn)________________________________________ 2126 Korrosion und Korrosionsschutz __________ 2136.1 Chemische Korrosion ________________________ 2136.2 Elektrochemische Korrosion________________ 2136.3 Korrosionsarten und Erscheinungsbild __ 2156.4 Korrosionsbeständigkeit der

metallischen Werkstoffe ____________________ 2176.5 Auswahl geeigneter Werkstoffe ___________ 217

6 Inhaltsverzeichnis

6.6 Korrosionsschutzmaßnahmen_____________ 2206.6.1 Korrosionsschutzanstriche__________________ 2206.6.2 Zinkbeschichtungen__________________________ 2206.6.3 Korrosionsschutz von Apparaten aus

nichtrostenden Stählen______________________ 2216.6.4 Verminderung der Aggressivität des

einwirkenden Stoffes ________________________ 2216.6.5 Vermeidung von Korrosionsstellen_______ 2216.6.6 Katodischer Korrosionsschutz _____________ 2226.6.7 Korrosionsschutz von Al-Bauteilen _______ 2227 Überwachung der Werkstoffe

und Bauteile im Betrieb_____________________ 2237.1 Fehlerortung in Chemieanlagen___________ 2237.2 Korrosionsüberwachung ____________________ 2258 Kunststoffe _____________________________________ 2268.1 Eigenschaften und Verwendung___________ 2268.2 Technologische Einteilung__________________ 2268.3 Thermoplastische Kunststoffe _____________ 2278.4 Duroplastische Kunststoffe ________________ 2288.5 Elastomere _____________________________________ 2298.6 Beständigkeitsverhalten und Alterung __ 2308.7 Verarbeitung von Kunststoffen____________ 2309 Verbundwerkstoffe ___________________________ 23110 Nichtmetallische anorganische

Werkstoffe______________________________________ 23210.1 Chemieapparateglas _________________________ 23210.2 Chemieapparate-Email ______________________ 23210.3 Keramische Werkstoffe ______________________ 23310.4 Chemisch beständige Ausmauerungen _ 23310.5 Grafit und Kohlewerkstoffe_________________ 23311 Schmierstoffe__________________________________ 23411.1 Schmieröle _____________________________________ 23411.2 Schmierfette ___________________________________ 23511.3 Feste Schmierstoffe __________________________ 235

V Messtechnik in Chemieanlagen 236

1 Temperaturmessung _________________________ 2381.1 Temperaturskalen ____________________________ 2381.2 Mechanische Temperaturmessgeräte ____ 2391.3 Widerstandsthermometer __________________ 2401.4 Thermoelemente _____________________________ 2411.5 Strahlungspyrometer ________________________ 2421.6 Übersicht: Einsatzbereiche der

Temperatur-Messgeräte _____________________ 2422 Druckmessung ________________________________ 2432.1 Definition, Einheiten, Umrechnung_______ 2432.2 Druckarten______________________________________ 2432.3 U-Rohr-Manometer___________________________ 2442.4 Federmanometer _____________________________ 2442.5 Drucksensoren ________________________________ 2452.6 Druckdifferenzmessung _____________________ 2462.7 Druckmittler, Druckwächter_________________ 2462.8 Besonderheiten der Druckmessung ______ 2473 Füllstandsmessung __________________________ 2493.1 Füllstandsmessgeräte für Flüssigkeiten _ 2493.1.1 Mechanische Füllstandsmessgeräte______ 2493.1.2 Hydrostatische Füllstandsmessung ______ 2503.1.3 Ultraschall-Füllstandsmessung ____________ 2513.1.4 Kapazitive Füllstandsmessung ____________ 2513.1.5 Füllstandsmessung mit Radar _____________ 252

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3.2 Füllstand-Grenzwertschalter fürFlüssigkeiten___________________________________ 252

3.3 Füllstandsmessgeräte und Grenzschalterfür Schüttgüter ________________________________ 253

3.4 Rauminhalte von Behältern ________________ 2553.5 Gasmengenbestimmung in Tanks ________ 2564 Durchflussmessung und

Mengenmessung _____________________________ 2574.1 Durchflussmesser ____________________________ 2584.1.1 Schwebekörper-Durchflussmesser _______ 2584.1.2 Durchflussmesser mit Messblende_______ 2584.1.3 Wirbel-Durchflussmesser ___________________ 2594.1.4 Schwingungs-Durchflussmesser __________ 2594.1.5 Ultraschall-Durchflussmesser______________ 2604.1.6 Magnetisch-induktiver

Durchflussmesser ____________________________ 2604.1.7 Coriolis-Massedurchflussmesser__________ 2614.1.8 Thermischer Durchflussmesser ___________ 2614.1.9 Turbinenrad-Durchflussmesser____________ 2624.1.10 Flügelrad-Durchflussmesser _______________ 2624.2 Mengenmesser für strömende Fluide ___ 2624.3 Strömungsanzeiger, Durchflusswächter_ 2645 Messwerterfassung, Verarbeitung und

Anzeige _________________________________________ 2656 Darstellung und Benennung von

Messstellen ____________________________________ 268

VI Bestimmung von Stoff-, Produkt-und Umgebungseigenschaften 269

1 Probenahme ___________________________________ 2691.1 Probenahme von Flüssigkeiten____________ 2702.1 Probenahme von Feststoffen ______________ 2702 Bestimmen der Eigenschaften von

Feststoffen _____________________________________ 2712.1 Bestimmen der Masse ______________________ 2712.2 Bestimmen der Dichte_______________________ 2732.3 Bestimmen der Feuchtigkeit _______________ 2742.4 Bestimmung der Partikelgrößen

von Schüttgütern _____________________________ 2722.4.1 Probenahme zur Siebanalyse______________ 2752.4.2 Siebanalyse ___________________________________ 2762.4.3 Auswertung der Siebanalyse ______________ 2772.4.4 RRSB-Körnungsnetz _________________________ 2793 Messung der Eigenschaften und

Bestandteilen von Flüssigkeiten __________ 2813.1 Messung der Dichte von Flüssigkeiten __ 2813.2 Viskositätsmessung __________________________ 2823.3 Messung der elektrischen Leitfähigkeit__ 2833.4 Messung des pH-Werts _____________________ 2833.5 Messung des Redox-Potentials____________ 2843.6 Anwendungen der Leitfähigkeits- und

pH-Wert-Messung____________________________ 2853.7 Messung des gelösten Sauerstoffs in

Wasser __________________________________________ 2863.8 Messung der Trübung in Flüssigkeiten __ 2864 Analysenverfahren für Gase und

Flüssigkeiten___________________________________ 2874.1 Chromatografische Analyse________________ 2874.2 Analyse mit Sensoren _______________________ 2884.2.1 Infrarot-Absorptions-Sensoren ____________ 288

Inhaltsverzeichnis 7

4.2.2 Wärmeleitfähigkeits-Sensoren_____________ 2894.2.3 Katalytische Wärmetönungs-Sensoren __ 2894.2.4 Elektrochemische Sensoren ________________ 2894.2.5 Technische Gasanalysegeräte______________ 2905 Messung von Luftbestandteilen __________ 2905.1 Sauerstoffgehalt und Luftschadstoffe____ 2905.2 Explosionsgrenzen ___________________________ 2905.3 Luftfeuchtigkeitsmessung __________________ 2915.4 Rauch- und Staubkonzentrations-

messung________________________________________ 2916 Qualitätssicherung im Chemiebetrieb ___ 2926.1 Qualitätsmanagement_______________________ 2926.2 Qualitätsmanagementsysteme ____________ 2926.3 Werkzeuge der Qualitätssicherung _______ 2946.3.1 Checklisten _____________________________________ 2946.3.2 Fehlersammelkarte und Datensammel-

karte _____________________________________________ 2946.3.3 Histogramme __________________________________ 2956.3.4 Verteilungskurve und statistische

Kennwerte______________________________________ 2956.3.5 Vorberechnungen für die Datensammel-

karte _____________________________________________ 2966.3.6 Pareto-Analyse (ABC-Analyse) ____________ 2966.3.7 Ischikawa-Diagramm ________________________ 2976.3.8 Prozessregelung mit Qualitätsregelkarte 2986.3.9 Übersicht der Qualitätswerkzeuge______ 300

VII Aufbereitungstechnik 301

1 Beschreibung von Schüttgütern________ 3021.1 Größe von Partikeln in Schüttgut_______ 3021.2 Oberflächen von Schüttgütern _________ 3021.3 Charakterisierung eines Schüttguts_____ 3031.4 Verteilungsdichtekurven von Schütt-

gütern ________________________________ 3042 Zerkleinern von Feststoffen ____________ 3052.1 Physikalische Grundlagen _____________ 3052.2 Zerkleinerungsverfahren_______________ 3062.3 Brecher _______________________________ 3062.4 Mühlen _______________________________ 3082.5 Schneidmühlen, Granulatoren _________ 3102.6 Zerkleinerungsanlagen ________________ 3103 Flüssigkeitszerteilung _________________ 3113.1 Berieseln, Versprühen _________________ 3123.2 Zerstäuben, Verdüsen _________________ 3124 Agglomerieren (Zusammenfügen)______ 3134.1 Aufbaugranulieren (Pelletieren) ________ 3134.2 Formpressen __________________________ 3154.3 Sintern________________________________ 3165 Mischen (Stoffvereinigen)______________ 3175.1 Mechanisches Rühren von Flüssigkeiten 3185.1.1 Rührbehälter __________________________ 3185.1.2 Rührwerk _____________________________ 3205.1.3 Rührer ________________________________ 3215.1.4 Strömungsvorgänge im Rührbehälter __ 3225.1.5 Verfahrenstechnische Operationen

durch Rühren _________________________ 3235.2 Pneumatisches Rühren ________________ 3255.3 Strömungsmischer ___________________ 3255.4 Kneten, Anteigen _____________________________ 3275.5 Mischen von Feststoffschüttungen _______ 329

Seite Seite

VIII Heiz- und Kühltechnik 331

1 Wärme – eine Energieart____________________ 3311.1 Wärmeeinheiten ______________________________ 3311.2 Wärmemengen _______________________________ 3311.3 Umwandlungswärmen______________________ 3321.4 Gesamtwärmemenge _______________________ 3331.5 Temperaturen von Mischungen ___________ 3342 Energieträger im Chemiebetrieb__________ 3352.1 Brennstoffe_____________________________________ 3352.2 Elektrischer Strom____________________________ 3362.3 Wasserdampf__________________________________ 3372.4 Heizflüssigkeiten______________________________ 3392.5 Gasförmige und feste Wärmeträger______ 3392.6 Kühl- und Kältemittel ________________________ 3392.7 Druckluft und Vakuum _______________________ 3403 Wärmeübertragung __________________________ 3413.1 Physikalische Grundlagen __________________ 3413.2 Wärmeübertragung in der

Chemietechnik________________________________ 3423.3 Wärmeleitung _________________________________ 3423.4 Wärmeübergang______________________________ 3433.5 Wärmedurchgang ____________________________ 3443.6 Wärmestrahlung ______________________________ 3453.7 Stoffführung in Wärmetauschern _________ 3464 Wärmetauscher _______________________________ 3484.1 Rohrbündel-Wärmetauscher _______________ 3484.2 Rohrschlangen-Wärmetauscher ___________ 3494.3 Doppelrohr-Wärmetauscher________________ 3504.4 Spiral-Wärmetauscher_______________________ 3504.5 Platten-Wärmetauscher _____________________ 3505 Kondensatoren________________________________ 3515.1 Oberflächenkondensatoren_________________ 3515.2 Mischkondensatoren_________________________ 3526 Heizen und Kühlen von Rührbehältern __ 3536.1 Indirekte Wärmeübertragung ______________ 3536.2 Direkte Wärmeübertragung ________________ 3536.3 Heiz-/Kühl-Systeme bei Rührbehältern __ 3547 Energieeinsparung bei Wärmeaustausch-

verfahren _______________________________________ 3558 Kühlen mit Luft und Rieselwasser________ 356

IX Mechanische Trennverfahren 359

1 Mechanische Trennverfahren für

Feststoff-Gemische___________________________ 3591.1 Sortieren________________________________________ 3611.1.1 Dichtesortieren ________________________________ 3611.1.2 Flotieren ________________________________________ 3621.1.3 Magnetsortieren ______________________________ 3631.2 Klassieren ______________________________________ 3641.2.1 Sieben___________________________________________ 3641.2.2 Sichten (Windsichten) _______________________ 3661.2.3 Stromklassieren (Hydroklassieren) _______ 3682 Mechanische Trennverfahren für

Feststoff/Flüssigkeits-Gemische __________ 3692.1 Absetzen, Sedimentieren, Flockung ______ 3692.2 Filtrieren ________________________________________ 3722.2.1 Wirkprinzip _____________________________________ 372

2.2.2 Absatzweise betriebene Filterapparate __ 3732.2.3 Kontinuierlich arbeitende Filterapparate 3752.3 Auspressen ____________________________________ 3772.4 Zentrifugieren _________________________________ 3782.4.1 Wirkprinzip _____________________________________ 3782.4.2 Absatzweise Filtrierzentrifugen____________ 3792.4.3 Kontinuierliche Filtrierzentrifugen ________ 3802.4.4 Sedimentierzentrifugen _____________________ 3802.4.5 Industrielle Zentrifugieranlage ____________ 3833 Mechanische Trennung von

Emulsionen ____________________________________ 3843.1 Dekantieren ____________________________________ 3843.2 Zentrifugieren _________________________________ 3843.3 Ultrafiltration __________________________________ 385

X Entstaubung und Abgasreinigung 386

1 Entstaubung ___________________________________ 3871.1 Mechanische Entstaubung _________________ 3881.2 Nassentstaubung _____________________________ 3911.3 Filtrationsentstaubung ______________________ 3911.4 Elektroentstaubung __________________________ 3921.5 Entstaubungsanlage _________________________ 3932 Abscheidung feinverteilter Flüssigkeits-

tröpfchen _______________________________________ 3943 Abscheidung von Fremdgasen ____________ 3953.1 Fremdgasabscheidung durch

Kondensation__________________________________ 3953.2 Gasreinigung durch Absorption___________ 3963.3 Gasreinigung durch Adsorption___________ 4003.4 Gasreinigung durch Dampfpermeation _ 3993.5 Katalytische Gasreinigung__________________ 4043.6 Abluftreinigung durch Verbrennung______ 405

XI Thermische Trennverfahren 406

1 Trocknen ________________________________________ 4071.1 Physikalische Grundlagen __________________ 4071.2 h-X-Diagramm der Trocknung_____________ 4101.3 Trocknungsverfahren ________________________ 4121.4 Trockner für Feststoffschüttungen ________ 4131.5 Trockner für Flüssigkeiten und

Suspensionen _________________________________ 4151.6 Vakuumgefriertrocknung____________________ 4171.7 Industrielle Trocknungsanlage _____________ 4182 Thermische Trennung von Lösungen_____ 4202.1 Verdampfen____________________________________ 4202.1.1 Verdampfen reiner Lösemittel_____________ 4202.1.2 Eindampfen von Lösungen ________________ 4212.1.3 Vorgänge im Verdampfer ___________________ 4212.1.4 Absatzweise und kontinuierliche

Eindampfung _________________________________ 4222.1.5 Verdampferbauarten _________________________ 4232.1.6 Verdampferanlagen __________________________ 4252.2 Kristallisieren aus Lösungen _______________ 4272.2.1 Physikalische Grundlagen __________________ 4272.2.2 Kristallisationsverfahren ____________________ 4282.2.3 Kristallisationsapparate _____________________ 4292.3 Aussalzen, Verdünnen, Ausfällen _________ 4322.4 Ausfrieren (Kaltkonzentrieren)_____________ 432

8 Inhaltsverzeichnis

Seite Seite

3 Thermische Trennung von Flüssigkeits-

gemischen______________________________________ 4343.1 Physikalische Grundlagen __________________ 4343.1.1 Siedeverhalten von Flüssigkeiten_________ 4343.1.2 Siedeverhalten von Flüssigkeits-

gemischen______________________________________ 4343.1.3 Dampfdruck von Flüssigkeitsgemischen 4353.1.4 Siedediagramm _______________________________ 4373.1.5 Gleichgewichtsdiagramm___________________ 4373.2 Destillieren _____________________________________ 4383.2.1 Absatzweise einfache Destillation ________ 4383.2.2 Destillierverhalten verschiedener

Flüssigkeitsgemische ________________________ 4393.2.3 Absatzweise fraktionierte Destillation____ 4403.2.4 Kontinuierliche einfache Destillation _____ 4403.2.5 Wasserdampfdestillation ___________________ 4413.3 Rektifizieren ____________________________________ 4433.3.1 Vorgänge beim Rektifizieren _______________ 4433.3.2 Rektifikationskolonnen mit

Austauschböden ______________________________ 4453.3.3 Änderung der Zusammensetzung in

einer Rektifikationskolonne_________________ 4463.3.4 Theoretische Trennstufenzahl ______________ 4473.3.5 Bodenwirkungsgrad und erforderliche

Anzahl der Austauschböden_______________ 4473.3.6 Rücklaufverhältnis ____________________________ 4483.3.7 Rektifikationskolonnen mit Füllkörpern

und Packungen________________________________ 4483.4 Rektifikationsverfahren______________________ 4503.4.1 Absatzweise Rektifikation___________________ 4503.4.2 Kontinuierliche Rektifikation _______________ 4513.4.3 Arten des Gemischzulaufs__________________ 4523.4.4 Bestimmung der Trennstufenzahl _________ 4533.4.5 Einfluss der Höhe des Gemischzulaufs __ 4553.5 Rektifizieren von Mehrstoffgemischen___ 4563.6 Rektifizieren temperaturempfindlicher

Gemische_______________________________________ 4573.7 Raffinierung des Erdöls _____________________ 4583.8 Rektifikation azeotroper und eng

siedender Gemische _________________________ 4603.8.1 Siedeverhalten azeotroper Gemische____ 4603.8.2 Zweidruck-Azeotrop-Rektifikation_________ 4613.8.3 Azeotrop-Rektifikation mit Hilfsstoff______ 4623.8.4 Extraktiv-Rektifikation________________________ 4633.9 Kombinierte Rektifikationsverfahren _____ 4653.10 Wärmeenergieeinsparung beim Betrieb

von Rektifikationsanlagen __________________ 4653.11 Regelung von Rektifikationsanlagen _____ 465

XII Physikalisch-chemische Trennverfahren 466

1 Feststoffextraktion ___________________________ 4671.1 Vorgänge und Begriffe ______________________ 4671.2 Industrieller Extraktionsprozess ___________ 4671.3 Lösemittel für die Extraktion _______________ 4681.4 Physikalische Grundlagen _________________ 4681.5 Stoffführung beim Feststoff-Extrahieren 4691.6 Absatzweise Feststoff-Extraktoren________ 4701.7 Kontinuierliche Feststoff-Extraktoren_____ 4722 Flüssig/Flüssig-Extraktion__________________ 4742.1 Physikalische Grundlagen __________________ 474

Inhaltsverzeichnis 9

2.2 Absatzweise arbeitende Flüssig/Flüssig-Extraktionsanlagen___________________________ 475

2.3 Kontinuierliche Flüssig-Flüssig-Extraktionsanlagen___________________________ 476

2.4 Extraktionsleistung von Kolonnen________ 4783 Ionenaustausch-Verfahren__________________ 4793.1 Physikalisch-chemische Grundlagen _____ 4793.2 Wasser-Vollentsalzung ______________________ 4803.3 Wasserenthärtung ____________________________ 4813.4 Abwasserentgiftung _________________________ 4813.5 Ionenaustauscheranlagen __________________ 4814 Membran-Trenntechnologie________________ 4834.1 Einteilung der Flüssig/Flüssig-

Membran-Trennverfahren __________________ 4834.2 Flüssig/Flüssig-Membran-Trennverfahren 4844.2.1 Umkehrosmose _______________________________ 4844.2.2 Nanofiltration__________________________________ 4844.2.3 Ultrafiltration __________________________________ 4854.2.4 Mikrofiltration _________________________________ 4854.3 Apparate der Membran-Trenn-

verfahren _______________________________________ 4854.4 Anlagen mit Membran-Trennverfahren _ 4874.5 Pervaporation _________________________________ 4884.6 Dampfpermeation ____________________________ 489

XIII Steuerungs-, Regelungs- undProzessleittechnik 490

1 Übersicht und Begriffe ______________________ 4902 Regelungstechnik ____________________________ 4922.1 Grundlagen ____________________________________ 4922.2 Darstellung und Bezeichnung von Mess-,

Steuer- und Regelstellen ___________________ 4942.3 Beispiele für EMSR-Stellen in Chemie-

anlagen _________________________________________ 4962.4 Regelstrecken__________________________________ 4982.4.1 Statisches Verhalten__________________________ 4982.4.2 Dynamisches Verhalten______________________ 4992.5 Darstellung der Funktionselemente

von Regeleinrichtungen_____________________ 5002.6 Regler ___________________________________________ 5022.6.1 Zeitverhalten stetiger Reglertypen________ 5022.6.2 Vergleich und Einsatz der Reglertypen __ 5042.6.3 Unstetige Regler ______________________________ 5052.6.4 Regelgeräte ____________________________________ 5062.6.5 Regler ohne Hilfsenergie____________________ 5072.7 Regelaufgaben in Chemieanlagen________ 5082.7.1 Temperaturregelungen ______________________ 5082.7.2 Druckregelungen______________________________ 5092.7.3 Durchflussregelungen _______________________ 5112.7.4 Mengenregelung _____________________________ 5112.7.5 Füllstandsregelungen________________________ 5122.7.6 Regelung von Analysewerten______________ 5122.7.7 Regelung einer Rektifikationsanlage _____ 5132.8 Regelkreisverhalten und Regler-

einstellung _____________________________________ 5143 Steuerungstechnik ___________________________ 5153.1 Steuerungstechnische Grundbegriffe ____ 5153.2 Steuerungsarten ______________________________ 5163.3 Beschreibungsarten für Steuerungs-

vorgänge _______________________________________ 517

Seite Seite

3.3.1 Beschreibung mit Text und Skizze_________ 5173.3.2 Darstellung von Verknüpfungen___________ 5173.3.3 Steuerzeitplan und Schaltfolgediagramm 5183.3.4 Ablaufsteuerung eines Chargenreaktors

im Schaltfolgediagramm____________________ 5183.4 Grundfunktionen der binären Signal-

verarbeitung ___________________________________ 5203.5 Funktionspläne von Ablaufsteuerungen

mit GRAFCET__________________________________ 5223.5.1 Ablaufsteuerung einer Mischanlage _____ 5243.5.2 Ablaufsteuerung einer

Reaktionsanlage ______________________________ 5253.5.3 Ablaufsteuerung einer Zentrifugier-

anlage ___________________________________________ 5273.6 Technische Ausführung von

Steuerungen ___________________________________ 5283.6.1 Mechanische Steuerungen _________________ 5283.6.2 Elektrische Steuerungen ____________________ 5283.6.3 Elektronische Steuerungen_________________ 5313.6.4 Speicherprogrammierbare

Steuerungen SPS_____________________________ 5314 Prozessleittechnik ____________________________ 5324.1 Vergleich: Konventionelle EMSR-

Technik – Prozessleittechnik ________________ 5324.2 Aufbau von Prozessleitsystemen _________ 5344.2.1 Komponenten eines

Prozessleitsystems ___________________________ 5344.2.2 Prozessleitsystem einer großen

Chemieanlage _________________________________ 5354.2.3 Automatisierungseinheiten ________________ 5364.2.4 Eingabe/Ausgabe-Einheiten ________________ 5364.2.5 Beobachtungs- und Bedienstationen ____ 5374.2.6 Bussysteme ____________________________________ 5374.2.7 Managementstation__________________________ 5374.3 Darstellung des Prozessgeschehens

auf dem Bildschirm __________________________ 5384.3.1 Fließbilddarstellungen ______________________ 5384.3.2 Konfektionierte Bilder________________________ 5394.3.3 Kurvenbilder ___________________________________ 5404.3.4 Einblendbilder (Windows)__________________ 5404.4 Bedienung eines Prozessleitsystems_____ 5414.5 Funktionsumfang eines Prozessleit-

systems ________________________________________ 5424.5.1 Messwertaufbereitungsfunktionen _______ 5424.5.2 Regelfunktionen_______________________________ 5424.5.3 Steuerungsfunktionen_______________________ 5434.5.4 Rezeptursteuerung von

Chargenprozessen __________________________ 5444.5.5 Steuerung von Rohrleitungsnetzen ______ 5464.5.6 Überwachungsfunktionen __________________ 5464.5.7 Instandhaltungs-Management_____________ 547

XIV Chemische Reaktionstechnik 548

1 Reaktionsverfahren __________________________ 5492 Einflussgrößen auf die Reaktion__________ 5493 Chargenbetrieb________________________________ 5503.1 Reaktionsbehälter ____________________________ 5503.2 Charakteristisches des Chargenbetriebs 5514 Fließbetrieb ____________________________________ 5524.1 Reaktionsapparate für Fließbetrieb_______ 552

4.2 Charakteristisches des Fließbetriebs _____ 5524.3 Fließbetrieb mit Kreislaufführung im

Reaktor__________________________________________ 553

5 Reaktorkombinationen______________________ 5546 Hochdruck-Reaktionsapparate ____________ 5547 Reaktionsöfen _________________________________ 5568 Elektrolyseapparate__________________________ 5579 Beurteilungsgrößen

für chemische Prozesse ____________________ 558

XV Umwelttechnik im Chemiebetrieb 560

1 Chemieproduktion und Umweltschutz__ 5612 Umweltschutzbereich Wasser _____________ 5632.1 Gesetzliche Bestimmungen zum

Abwasser _______________________________________ 5632.2 Reinigungsverfahren für Abwasser_______ 5642.3 Auswahl des geeigneten Abwasser-

Reinigungsverfahrens _______________________ 5682.4 Anlage zur Reinigung von Chemie-

abwasser _______________________________________ 5692.5 Mechanisch-biologische Abwasser-

reinigung in einer kommunalenKläranlage______________________________________ 570

2.6 Biologische Abwasserreinigung inHochbau-Reaktoren __________________________ 572

3 Umweltschutzbereich Luft _________________ 5733.1 Gesetzliche Bestimmungen

zu Abgasen_____________________________________ 5733.2 Kombinierte Abgasverbrennung und

Abluftreinigung _______________________________ 5733.3 Abluftreinigung durch Adsorption und

Nachverbrennung ____________________________ 5743.4 Reinigung der Abgase von

Verbrennungskraftwerken _________________ 5754 Beseitigung von Chemieabfällen _________ 5764.1 Gesetzliche Bestimmungen zur

Abfallentsorgung _____________________________ 5764.2 Behandlungsverfahren für Abfälle________ 5704.3 Entsorgung der Abfälle eines Chemie-

betriebs _________________________________________ 5774.4 Großanlage zur Verbrennung industriel-

ler und kommunaler Abfälle _______________ 5784.5 Ablagerung auf Sondermülldeponien __ 5795 Produktionsintegrierter Umweltschutz _ 580

Lernfelder des KMK-Lehrplans für Chemi-kanten und Zuordnung der Buchinhalte 582

Sachwortverzeichnis (mit englischer Übersetzung) 587

Bildnachweise und Quellenverzeichnis 614

10 Inhaltsverzeichnis

Seite Seite

Chemie und Umwelt

Der Nutzen chemischer StoffeTäglich und allgegenwärtig benutzen wir heuteProdukte der Chemieindustrie (Bild 1):

– Hygieneartikel wie Seifen, Waschmittel– Kleidung aus synthetischen Fasern– Arzneimittel, Kosmetika– Werk- und Baustoffe aus Kunststoff– Farbstoffe– Dünge- und Schädlingsbekämpfungsmittel– Schmiermittel, Öle, Härtemittel, Kühlmittel

Diese und viele andere Stoffe der Chemieindustriehaben unseren Standard erhöht, neue Arbeits -plätze geschaffen, bessere Produkte ermöglicht,höhere Ernteerträge bewirkt und die Lebensqua-lität verbessert.

UmweltgefährdungBei der Produktion bzw. der Verarbeitung diesernützlichen Chemieprodukte entstehen Rückstände,Abfallstoffe, Abwässer und Abgase. Werden sienicht sachgemäß entsorgt, können sie zu einerernsthaften Belastung oder sogar Zerstörung derUmwelt führen (Bild 2).

Durch unsachgemäße Ablagerung giftiger Produk-tionsrückstände und Abfälle kann der Boden ver-seucht und das Grundwasser vergiftet werden.Durch das Einleiten von giftigem und gesundheits-schädlichem Abwasser in Flüsse und Seen kanndas Leben in den Gewässern zerstört werden. IhrWasser kann nicht zur Trinkwasserbereitung ge-nützt werden.Durch den Ausstoß von giftigen, gesundheits-schädlichen oder geruchsbelästigenden Gasenoder Stäuben in die Atmosphäre kann die Luft der-art belastet werden, dass viele Menschen gesund-heitliche Schäden erleiden.

Die Verantwortung der Beschäftigten im Chemiebetrieb für den UmweltschutzJeder Chemiebetrieb hat aufgrund der gesetzlichen Bestimmungen in Zusammenarbeit mit den dafür zu-ständigen staatlichen Stellen Umweltschutzmaßnahmen erarbeitet, die die Belastung der Umwelt auf einunvermeidbares Maß beschränken (Seite 560 bis 581). Damit diese Maßnahmen wirken können, mussder im Chemiebetrieb Beschäftigte sich an die Anweisungen halten. Dazu gehört:

● Das störungsfreie Fahren der Chemieanlagen nach Betriebsplan

● Das sofortige Beseitigen bzw. Melden von Betriebsstörungen

● Kein unerlaubtes Ablassen bzw. Deponieren von Chemikalien

● Das sachgemäße Beseitigen von Schadstoffen in den dafür vorgesehenen Sammelbehältern

● Das Vermindern von Abfällen, z. B. durch Mehrfachverwendung (Recycling)

● Umweltbewusstes Handeln in allen Situationen.

11

Textilien Werkstoffe

ArzneimittelFarben

Bild 1: Chemieprodukte

Zerstörung der Natur

Gesundheitliche Schäden

Bild 2: Umweltschäden

Sicherheit im ChemiebetriebDer Arbeitsplatz Chemiebetrieb ist ein Ort, der eine Fülle von Gefahren für die Mitarbeiter birgt. Zu denallgemeinen Unfallgefahren durch mechanische Verletzungen kommen hier die speziellen Gefahren desChemiebetriebes, die durch die Produktion und den Umgang mit zum Teil giftigen, ätzenden, brennbarenoder explosiven Chemikalien entstehen.Deshalb gilt es vor allem für den Neuling im Chemiebetrieb, Hinweise und Anweisungen der Vorgesetz-ten oder erfahrener Mitarbeiter zu beachten, die ein sicheres Arbeiten und Bewegen im Chemiebetriebgewährleisten. Ein solches sicherheitsbewusstes Verhalten schützt sowohl die eigene Gesundheit alsauch die Gesundheit und das Leben der anderen Mitarbeiter.Verbindlich für die Arbeit im Chemiebetrieb sind die Unfallverhütungsvorschriften der Berufsgenossen-

schaft Rohstoffe und chemische Industrie, die aufgrund der Erfahrung der Chemiebetriebe erstellt wur-den. Sie liegen in jedem Betrieb aus und sollten bei Sicherheitsfragen zu Rate gezogen werden.An besonders gefährdeten Stellen im Chemiebetrieb machen Sicherheitszeichen (Hinweisschilder) aufGefahren aufmerksam und fordern zu bestimmtem Sicherheitsverhalten auf. Sie sind unbedingt zu be-achten. Es gibt verschiedene Kategorien von Sicherheitszeichen.

VerbotszeichenDie Verbotszeichen verbieten die Handlung, die aufdem Verbotsschild als Bild gezeigt ist (Bild 1). Ver-botszeichen sind rund, haben eine rote Umran-dung und einen roten Querbalken. Die verboteneHandlung ist als schwarzes Piktogramm auf wei-ßem Grund gezeigt.Die wichtigsten Verbote im Chemiebetrieb sind dasallgemeine Rauchverbot sowie das Verbot mit offe-nem Feuer oder Licht zu hantieren.Räume, in denen geraucht werden darf, sind be-sonders gekennzeichnet.Der Gebrauch von offenem Feuer, z. B. beimSchweißen, muss vom Betriebsleiter genehmigtsein.Weitere Verbotsschilder sperren Bereiche für denFußgängerverkehr sowie für Unbefugte, verbietendas Löschen von Bränden mit Wasser und kenn-zeichnen das Wasser aus einem Wasserhahn alsnicht trinkgeeignet.

Verbotsschilder müssen unbedingt befolgt wer-

den.

WarnzeichenDie Warnzeichen geben Hinweise auf mögliche Ge-fahren, wie z. B. Feuer- und Explosionsgefahr, gifti-ge oder ätzende Stoffe, radioaktive Strahlen,schwebende Lasten, verkehrende Förderfahrzeu-ge, elektrische Spannung sowie andere Gefahren(Bild 2, diese Seite und Bild 1 nächste Seite).Warnzeichen haben die Form eines Dreiecks. Siezeigen die mögliche Gefahr als schwarze Skizze aufgelbem Grund.Außerdem kann eine Gefahrenstelle durch einschwarz/gelbgestreiftes Band oder einen solchenBalken abgetrennt werden.

12

Rauchen verboten

Feuer, offene Flamme und

Rauchen verboten

Für Fußgängerverboten

Verbot, mit Wasserzu löschen

Kein TrinkwasserZutritt für Unbe-fugte verboten

Bild 1: Verbotszeichen

Warnung vor feuergefährlichen

Stoffen

Warnung vorexplosions-

gefährlichen Stoffen

Warnung vor giftigen Stoffen

Warnungvor ätzenden

Stoffen

Warnung vorexplosionsfähiger

Atmosphäre

Warnung vor schwebender

Last

Bild 2: Warnzeichen

Im Bereich eines Warnzeichens sind die Unfall-

verhütungsvorschriften besonders streng zu be-

achten.

Vor Beginn der Arbeiten in diesem Bereich sindvom direkten Vorgesetzten Hinweise, Ratschlägeund Anweisungen einzuholen.

Erst informieren, dann handeln!

Auch wenn die Arbeit noch so dringend ist, die Arbeitssicherheit hat immer Vorrang!

GebotszeichenGebotszeichen verpflichten zum Tragen einer per-sönlichen Schutzausrüstung im gekennzeichnetenBereich (Bild 2). Sie sind rund und zeigen die zutragende Schutzausrüstung als weißes Pikto-gramm auf blauem Grund.Beim Arbeiten an Chemieanlagen sowie im Be-reich von Chemieanlagen sind grundsätzlich einSchutzhelm und Schutzschuhe zu tragen. BeimUmgang mit ätzenden Chemikalien sowie Anla-gen, die solche Chemikalien enthalten, sind zusätz-lich ein Augenschutz und Schutzhandschuhe vor-geschrieben. Bei Austritt giftiger Gase oder Stäubeist ein Atemschutz notwendig, usw.

Gebotszeichen verpflichten zum Tragen einer per-

sönlichen Schutzausrüstung.

RettungszeichenRettungszeichen kennzeichnen Rettungswege,Notausgänge, Rettungsduschen sowie Erste-Hilfe-und Rettungsstationen (Bild 3). Sie sind rechteckigund zeigen das Symbol als weißes Piktogrammauf grünem Grund. Rettungszeichen dienen dazu,im Falle eines Unfalls auf dem schnellsten Weg Hil-fe leisten zu können (z. B. durch Hilfsmittel aus ei-nem Erste-Hilfe-Kasten) bzw. sich vor der Gefahr inSicherheit bringen zu können.

BrandschutzzeichenDie Brandschutzzeichen kennzeichnen den Ort, andem sich die Geräte oder Einrichtungen zumBrandschutz befinden (Bild 4).

Sie sind quadratisch und zeigen das Symbol aufrotem Grund, z.B. einen Feuerlöscher.Die Geräte und Einrichtungen zum Brandschutzdürfen nicht verdeckt oder zugestellt werden.

Die Rettungswege und Rettungsstationen sowie

die Brandschutzeinrichtungen im Arbeitsbereich

sollten jedem Mitarbeiter bekannt sein.

Weitere Ausführungen zur Unfallverhütung undArbeitssicherheit auf Seite 136 bis 147.

13

Warnung vor Flurförder-

zeugen

Allgemeine Warnung vor einer

Gefahrenstelle

Gefahrenbereich-Abgrenzungen

Warnung vorgefährlicher

elektrischer Spannung

Bild 1: Warnzeichen

Augenschutzbenutzen

Schutzhelmtragen

Gehörschutzbenutzen

Atemschutzgerättragen

Schutzschuhetragen

Schutzhandschuhetragen

Bild 2: Gebotszeichen

Hinweis auf Erste-Hilfe-Station

Richtungsangabe für Rettungsweg

Einrichtung zumAugenspülen

Notruf-Telefon

Bild 3: Rettungszeichen

Feuerlöscher Löschschlauch Brandmelder

Bild 4: Brandschutzzeichen

Einführung in die Chemietechnik

Die Fachgebiete der ChemietechnikDie Chemietechnik ist ein äußerst umfangreiches Wissensgebiet. Es lässt sich in Teilbereiche gliedern:

● Die chemischen Herstellungsverfahren der Stoffe. Dieses Teilgebiet wird auch als Chemische Techno-

logie oder englisch unit processes bezeichnet.Es befasst sich mit den im technischen Maßstab durchgeführten chemischen Stoffumwandlungen (Re-aktionen) und den dazu erforderlichen Bedingungen und Apparaten.

● Die chemische Verfahrenstechnik. Sie beschäftigt sich mit den einzelnen Verfahrensschritten. Man be-zeichnet sie als verfahrenstechnische Grundoperation oder englisch unit operations, die zur techni-schen Durchführung eines chemischen Produktionsprozesses erforderlich sind.Verfahrenstechnische Grundoperationen sind z. B. das Zerkleinern, das Heizen oder Kühlen, das Mi-schen und Trennen. Hierbei finden in der Regel keine chemischen Stoffumwandlungen statt. Die Stof-fe werden vielmehr in ihrem Zustand, z. B. der Korngröße, der Temperatur, dem Gehalt verändert. Eshandelt sich bei den verfahrenstechnischen Grundoperationen um physikalische Vorgänge.

● Die Apparate- und Maschinentechnik. Dieses Fachgebiet beschreibt und erläutert die Apparate, Reak-toren und Maschinen, die zur Durchführung der chemischen Reaktionen und der verfahrenstechni-schen Grundoperationen erforderlich sind. Ein Rührkessel z. B. ist ein Apparat, in dem eine chemischeReaktion oder ein Mischvorgang ablaufen kann. Der Elektromotor z. B., der das Rührwerk des Kesselsantreibt, ist eine Antriebsmaschine und liefert die zum Rühren benötigte Energie.

● Die Mess-, Steuer- und Regeltechnik. Sie befasst sich mit den Geräten zum Messen, Steuern und Re-geln der Betriebs-Zustandsgrößen in einer Chemieanlage. Durch ihren Einsatz laufen die chemischenReaktionen und die Stoffumwandlungsvorgänge sicher und unter optimalen Bedingungen ab.Geräte der Mess-, Steuer- und Regeltechnik sind z. B. Druckmessgeräte (Manometer), pH-Wert-Mess-geräte oder Temperaturregler.

Die Chemieanlage (englisch chemical plant)

Die Vorgänge der Chemietechnik laufen in Reak -

toren und Apparaten ab, in denen die für den Pro-zess erforderlichen Bedingungen, wie Temperatur,Druck usw. geschaffen werden können.

Die Reaktoren und Apparate sind durch Rohrlei-

tungen miteinander verbunden, die durch Armatu-

ren geschlossen und geöffnet werden.

Förderanlagen, wie z. B. Pumpen, bewegen dieStoffe durch die Rohrleitungen zu den Apparaten.

Maschinen, wie z. B. Elektromotoren, liefern die be-nötigte mechanische Energie.

Mess-, Steuer- und Regelgeräte messen, überwa-chen, steuern und regeln die Prozessgrößen.

Die Summe dieser Einrichtungen nennt man Pro-

duktionsanlage oder Chemieanlage (Bild 1).

Darstellung chemischer AbläufeAn einem allgemeinen Beispiel soll die Vielfalt der Aufgaben und Problemstellungen aufgezeigt werden,die bei der Durchführung einer chemischen Reaktion im Chemiebetrieb auftreten können.

Es sollen die beiden Stoffe A und B bei ganz bestimmten Temperatur- und Druckbedingungen zu denStoffen C und D reagieren.+6

In der Chemie veranschaulicht mandiesen Vorgang mit einer chemi-

schen Reaktionsgleichung.

14

Bild 1: Chemieanlage

Temperatur, DruckA + B ⎯⎯⎯⎯⎯⎯� C + DKatalysatoren

Ausgangsstoffe Reaktionsbedingungen Reaktionsprodukte

Die chemische Reaktionsgleichung beschreibt den chemischen Umwandlungsvorgang der Stoffe. Sieenthält auf der linken Seite die Ausgangsstoffe (Edukte) und auf der rechten Seite die Reaktionsproduk-te. Über und unter dem Reaktionspfeil, der die Richtung des Reaktionsverlaufs anzeigt, sind die zurDurchführung der Reaktion erforderlichen Reaktionsbedingungen und Katalysatoren angegeben.Ein Beispiel für eine chemische Reaktionsgleichung ist die Gewin-nung des Synthesegases CO/H2 ausMethan und Wasser.Die Vorbereitung der Ausgangsstoffe auf die chemische Reaktion und die Aufarbeitung der Reaktions-produkte für ihre weitere Verwendung findet in der chemischen Reaktionsgleichung keine Erwähnung.Häufig verläuft eine chemische Reaktion über Zwischenstufen. Die dabei entstehenden Stoffe nennt manZwischenprodukte. Sie sind die Ausgangsstoffe der nächsten Produktionsstufe. Entstehende Stoffe, dieim Produktionsprozess nicht benötigt werden, nennt man Nebenprodukte oder Abfallstoffe. Während die Nebenprodukte in einen anderen Produktionsprozess eingebracht werden können, müssendie Abfallstoffe aufgearbeitet oder entsorgt werden.In der Chemietechnik stellt man chemische Produktionsvorgänge mit Hilfe von Fließbildern dar, in denennicht nur die Stoffe, sondern auch die Fließwege der Stoffe und die verfahrenstechnischen Grundopera-tionen eingetragen sind.Im Grundfließschema (auch Grundfließbild genannt) sind die wesentlichen Verfahrensschritte in be-schrifteten Kästchen und die Stoffströme mit Linien und Pfeilen dargestellt (Bild 1).

Kernstück der Chemieanlage ist der Reaktor. In ihm findet die Umsetzung der Ausgangsstoffe zum Pro-dukt statt. Damit die Reaktion ablaufen kann, müssen die Ausgangsstoffe aufbereitet werden, z. B. zer-kleinert bzw. erhitzt. Nach der chemischen Reaktion müssen die als Gemisch vorliegenden Reaktions-produkte getrennt und die Rohprodukte anschließend nochmals aufgearbeitet werden, damit sie die fürdie Weiterverwendung oder den Verkauf erforderlichen Qualitätsmerkmale haben.Das Verfahrensfließschema (auch Verfahrensfließ-bild genannt) stellt ein chemisches Produktions-verfahren in schematischer Form mit grafischenSymbolen für die Apparate sowie mit Linien für dieStoffströme dar (Bild 2). Das in Bild 2 dargestellteBeispiel zeigt eine Fällungsreaktion in einem Rühr-kessel sowie die anschließende Filtration der Sus-pension in die klare Flüssigkeit und den festenRückstand. Sie werden in einem Tank bzw. in Fäs-sern gelagert. Die Symbole für die Apparate sindgenormt; ebenso die Linienführung der Stoffströ-me (Seiten 116 bis 125). Charakteristische Betriebs-bedingungen und die Angabe der wichtigstenStoffströme vervollständigen das Verfahrensfließ-bild.Frei gestaltete Fließbilder, die z. B. auf Displaysund Monitoren in der Anlagenüberwachung einge-setzt werden, geben ein noch realistischeres Bildder Chemieanlage (Bild 1, Seite 16).

15

900 °C, 35 barCH4 + H2O ⎯⎯⎯⎯⎯� CO + 3 H2Nickel

Reaktor

Zerkleinern

Heizen

Ausgangs-

stoff A

Ausgangs-

stoff B

Chemische Reaktion

A + B C + D

Reaktions-produkte-

Kondensieren

Trocknen

Roh-Produkt C

Trennen

Fertig-

produkt C

Fertig-

produkt DRoh-Produkt D

Gemisch

Bild 1: Grundfließschema eines chemischen Produktionsvorgangs

700 kg/h

450 kg/h

910 kg/h 240 kg/h

70° C1 bar

BE1

BE2

TE1

FL1

M

Bild 2: Verfahrensfließschema einer Anlage

Verfahrensarten der chemischen IndustrieBei den Umsetzungsverfahren unterscheidet man chemische Verfahren und biotechnologische Verfah-ren. Während bei den chemischen Verfahren der Stoffumsatz durch rein chemische Reaktionen erfolgt,läuft die Stoffumsetzung bei den biotechnologischen Verfahren mit Hilfe von Mikroorganismen, wie Bak-terien und Pilzen, ab. Die verfahrenstechnischen Grundoperationen unterteilt man in mechanische Verfahren, wie z. B. das Zer-kleinern, das Sieben und das Mischen, und in thermische Verfahren, wie z. B. das Heizen, das Kühlen, dasTrocknen und das Destillieren.In einer chemischen Produktionsanlage sind chemische Umsetzungsverfahren mit verfahrenstechni-schen Grundoperationen kombiniert. So wird z. B. eine chemische Umsetzung in einem Reaktionsgefäß(Reaktor) unter gleichzeitigem Rühren (mechanische Grundoperation) und Heizen (thermische Grund-operation) durchgeführt (Bild 1).

Arbeitsweisen in der ChemietechnikEine Chemieanlage kann nach unterschiedlichen Arbeitsweisen betrieben werden.

ChargenbetriebBeim Chargenbetrieb, auch absatzweiser bzw. dis-kontinuierlicher Betrieb oder englisch Batchpro-

cess genannt, werden die einzelnen Verfahrens-und Prozessschritte zeitlich nacheinander durchge-führt. Die Anlage besteht aus dem Reaktionsgefäß,z. B. einem Rührkessel, sowie den Zu- und Ablei-tungen (Bild 1).

Zuerst wird der Ausgangsstoff A in den Reaktor ge-pumpt. Danach wird aufgeheizt und durch lang -sames Zugeben von Ausgangsstoff B die chemi-sche Reaktion in Gang gesetzt. Wenn sie beendetist, wird das Reaktionsprodukt abgelassen und derReaktor gereinigt. Dann beginnt eine neue Charge.Chargenbetrieb wird bevorzugt bei wechselndenProdukten und kleinen Stoffmengen angewandt.Es können auch langsam ablaufende Reaktionenoder unterschiedliche Herstellungsverfahren in dergleichen Anlage durchgeführt werden.

Kontinuierlicher BetriebBei einer kontinuierlich betriebenen Chemieanlage durchläuft ein kontinuierlicher (andauernder) Mas-senstrom die Apparate und Reaktoren einer Anlage vom Anfang bis zum Ausgang (Bild 2).

In den einzelnen Apparaten finden örtlich nacheinander die Verfahrensschritte statt. In jedem Apparatherrschen über die ganze Produktionszeit gleichbleibende Prozessbedingungen, wie z. B. gleiche Tempe-ratur, gleicher Druck und gleiche Produktzusammensetzung.Kontinuierliche Chemieanlagen werden für die Produktion großer Stoffmengen nach einem fest vorge-gebenen Reaktionsablauf eingesetzt.

16

Ausgangsstoff A

Ausgangsstoff B

T

Heizdampf

A

B

Reaktionsgefäß

Reaktionsprodukt

Heizdampf-Kondensat

Bild 1: Chemieanlage für Chargenbetrieb (Beispiel)

Ausgangsstoff AT

A

Erhitzer

Kühler

Rohrreaktor

Ausgangsstoff B

Produkt

Lagerbehälter

Bild 2: Kontinuierlich betriebene Chemieanlage (Beispiel)

Entwicklung eines Produktionsverfahrens

17

Bevor ein chemisches Produkt in einer Chemiean-lage hergestellt werden kann, sind eine Vielzahlvon Untersuchungen und vorbereitenden Arbeitendurchzuführen.

Der erste Schritt hierzu ist die Untersuchung des chemischen Vorgangs im chemischen Labor

(Bild 1), wie er in der chemischen Reaktions glei -chung beschrieben wird. In einer Vielzahl von La-borversuchen werden dann die günstigsten Reak-tionsbedingungen zur Durchführung der che mi -schen Reaktion ermittelt. Auch die Aufarbeitungder zur Reaktion benötigten Ausgangsstoffe sowiedie Trennung und Nachbehandlung der Reaktions-produkte wird in vielen Laborversuchen unter-sucht und dadurch das bestmögliche Verfahren er-mittelt. Die Massen mit denen die Reaktionen imLabor durchgeführt werden, betragen in der Regelunter oder wenig mehr als 1 kg.

Die Ergebnisse der Laborversuche sind die Grund-lage für den Bau einer halbtechnischen Tech ni -

kumsanlage (auch Pilotanlage genannt), in der dieÜbertragung des chemischen Prozesses in die Pro-duktion vorbereitet wird (Bild 2).

Die halbtechnische Anlage hat, bei kleineren Ab-messungen, prinzipiell den gleichen Aufbau unddieselbe Anordnung der Apparate, wie sie die spä-tere großtechnische Produktionsanlage aufweist.Sie ist so aus gelegt, dass alle Einzelschritte desVerfahrens überwacht, verändert und verbessertwerden können. Deshalb sind die meisten Appara-teteile aus Glas, sodass die in ihnen ablaufendenVorgänge beobachtet werden können. Die Massen,die umgesetzt werden, betragen in der Regel we-niger als 100 kg.

Die in der halbtechnischen Anlage gewonnenenErkenntnisse über die Reaktionsbedingungen unddie Ausbeute der chemischen Reaktion sowie überdie Stoffführung und die Regelung der Anlage wer-den für die Auslegung und den Bau der großtech-nischen chemischen Produktionsanlage verwertet(Bild 3).

Sie ist so gebaut, dass möglichst viel Reaktions-produkt mit einem möglichst geringen Kostenauf-wand hergestellt werden kann. Dabei muss auchder Umweltschutz berücksichtigt werden, da be-reits ein geringer Schadstoffgehalt der Emissionenbei den großen umgesetzten Mengen zu einer Be-lastung der Umwelt führen kann.

Dieses Übertragen der Abmessungen von einerTechnikumsanlage auf eine großtechnische Che-mieanlage nennt man im Englischen scale up.

Bild 1: Versuche im chemischen Labor

Bild 2: Optimierung der Reaktionsbedingungenin der halbtechnischen Anlage

Bild 3: Produktion in der großtechnischen Chemieanlage

Eine Chemieanlage (chemical plant) ist für den Nicht-Fachmann auf den ersten Blick ein unüberschau -bares, komplexes Gebilde, bestehend aus einer Vielzahl von Einzelteilen (Bild 3, Seite 17).Bei analysierender Betrachtung erkennt man jedoch, dass diese Vielzahl von Einzelteilen auf eine be-grenzte Anzahl von Grundelementen zurückgeführt werden kann (Bild 1):

RohrleitungenSie verbinden die einzelnen Apparate einer chemischenAnlage miteinander. In ihnen werden die Stoffe von einem Apparat zum anderen transportiert.Meist sind mehrere Rohrstücke über Rohrverbindungenzu Rohrleitungen zusammengesetzt.

ArmaturenSie sind in die Rohrleitungen eingebaut und regulierendie Menge, der in den Rohrleitungen strömenden Stoffe.Außerdem sperren und öffnen sie Rohrleitungen undschützen Anlagen vor Überlastung.

ReaktionsapparateIn den Reaktionsapparaten (Reaktoren) werden die chemi-schen Reaktionen durchgeführt. Die Reaktoren sind so ge-staltet, dass in ihnen die zum Ablauf der Reaktion erfor-derlichen Bedingungen, wie z. B. Druck und Temperatur,eingestellt werden können.

Verfahrenstechnische ApparateDie verfahrenstechnischen Apparate dienen zur Aufberei-tung, zum Heizen oder Kühlen, zum Vermischen oder zumTrennen von Stoffen und Stoffgemischen. Sie sind den Re-aktionsapparaten vor- oder nachgeschaltet.

AntriebsmaschinenDie Antriebsmaschinen (Elektromotoren) in den Chemie-anlagen liefern die Energie für bewegte Apparateteile (z. B. für den Rührer in einem Kessel) und für sich bewe-gende Stoffströme, wie z. B. für die strömende Flüssigkeitin einer Rohrleitung.

FördereinrichtungenFördereinrichtungen dienen zum Transport von Stoffen anden Ort der Produktionsanlage, wo sie gebraucht werden.Zu ihnen gehören z. B. Transportbänder, pneumatischeFördersysteme sowie Pumpen und Kompressoren.

LagereinrichtungenIn Lägern werden Stoffe aufbewahrt, zwischengelagertund auf Vorrat gehalten. Dadurch wird gewährleistet,dass immer ausreichend Ausgangsstoffe vorrätig sindund die Produkte in ausreichender Menge zur Verfügungstehen.

Mess-, Steuer- und RegeleinrichtungenDie MSR-Einrichtungen dienen dazu, die Betriebszustän-de, wie z. B. Druck und Temperatur, in Chemieanlagen zuerfassen und den Prozess unter optimalen Bedingungenablaufen zu lassen. Prozessleitsysteme steuern Chemie-anlagen automatisch nach vorgegebenen Programmen.

18 I Die Chemieanlage

I Die Chemieanlage

Rohr-leitungen

Reaktoren

Apparate

Lager-einrichtungen

MSR-Einrichtungen

0

12

3 4 567

8bar

Armaturen

Fördereinrichtungen

Pumpe Kupp-lung E-Motor

Antriebsmaschinen: Elektromotoren

Bild 1: Grundelemente von Chemieanlagen

1 RohrleitungenRohrleitungen (engl. pipelines) sind rohrförmigeVerbindungen zwischen Anlagenteilen zur Weiter-leitung von Stoffen. In Chemieanlagen erfolgtder Stofftransport zum überwiegenden Teil in ge-schlossenen Rohrleitungen. Da es sich um abge-schlossene oder in sich geschlossene Teile von Anlagen handelt, spricht man auch von Rohrlei-tungssystemen oder Rohrnetzen (Bild 1).

Rohrleitungssysteme bestehen aus drei Bauele-menten:– den geraden und gebogenen Rohrabschnitten– den Rohr-Formstücken– den Rohrverbindungen, die die Rohrstücke und

Formstücke miteinander verbinden.

Diese Bauelemente sind vorgefertigte Bauteile und werden zu komplizierten Rohrleitungssystemen zusammengesetzt.Zusätzlich können die Rohrleitungen mit Rohrisolierungen und Begleitheizungen versehen sein.Entsprechend den betrieblichen Anforderungen werden die Abmessungen der Rohre und der geeigneteRohrwerkstoff ausgewählt. Um eine Normierung zu erreichen, wurden die Rohrabmessungen verein-heitlicht und die zulässigen Drücke gestuft.

1.1 Die Nennweite DN

Die Nennweite DN (engl. nominal diameter DN) ist eine Kenn -größe, die bei Rohrleitungssystemen als kennzeichnendesMerkmal zueinander passender Teile, z. B. von Rohren, Form -stücken und Armaturen, benutzt wird. Sie entspricht annähernddem Innendurchmesser der Rohrleitungsteile in mm.

Die Nennweite hat keine Einheit. Beispiel einer Nennweitenan -gabe: DN 125.

Die Nennweite darf nicht als Maßeintragung in technischenZeichnungen benutzt werden (Bild 2).

Die Nennweiten sind so abgestuft, dass sich die Förderkapazitätder Rohrleitung von Nennweite zu Nennweite um etwa 60 bis 100 % erhöht.

Die bevorzugten DN-Stufen nach DIN EN ISO 6708 sind: 10, 15, 20, 25, 32, 40, 50, 60, 80, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1000,1100, 1200, 1400, 1500, 1600, 1800, 2000, 2200, 2400, 2600, 2800, 3000, 3200, 3400, 3600, 3800, 4000.

Auch für alle anderen Teile einer Rohrleitung, wie Rohrformstücke, Rohrverbindungen und Armaturengelten die gleichen Nennweitenabstufungen. Ihre Größennormen sind so festgelegt, dass diese Teile al-le zusammenpassen. Das ist der Zweck der Kenngröße Nennweite.

Die Nennweite wird vom Anlagenkonstrukteur gemäß der Strömungsgeschwindigkeit und dem Förder-strom festgelegt, der durch die Rohrleitung fließen soll.

Dazu berechnet man den erforderlichen Innendurchmesser di, erf der Rohr-leitung in mm nach ne ben stehender Formel. Es bedeuten: v = Strömungs geschwindigkeit, V = FörderstromAls Nennweite wählt man diejenige, die dem berechneten Innendurchmes-ser di als nächst größere folgt.Beispiel: Berechneter Innendurchmesser di, erf = 37,5 mm. Gewählte Nennweite: DN 40.

1 Rohrleitungen 19

Bild 1: Rohrleitungen in einer Chemieanlage

da

Nen

n-w

eite

DN

Rohr

Flansch

K

D

di

s

Bild 2: Rohrmaße

Innendurchmesser

di, erf = 2 ·a�π

V· v�

�

Übungsaufgabe: Durch ein Rohr mit Nennweite DN 40 (Innendurchmesser 43,1 mm) strömen stündlich3,2 m3 Wasser. Welche Strömungsgeschwindigkeit herrscht im Rohr?

Lösung: Grundformel di = 2 ·a�π

V· v�

�Durch Umstellen folgt daraus: v = �

π4

··dVi2�

Einsetzen: v = �π4

··dVi2� = ≈ ≈ 6,09 �

mms�

≈ 0,609 �ms�

Aufgabe: Ein Rührkessel mit 1,2 m3 Fassungsvermögen soll innerhalb von 5 Minuten mit Flüssigkeit ge-füllt werden. Im Zulaufrohr soll die Strömungsgeschwindigkeit 1,0m/s nicht überschreiten. Welche Nenn-weite muss das Zulaufrohr haben?

1.2 Der Nenndruck PN

Der Nenndruck, kurz PN (engl. nominal pressure PN), ist eine Kenngröße für die Druckbelastbarkeit ei-nes Rohrleitungssystems, in dem Rohrleitungsteile gleicher Druckbelastbarkeit und gleicher An-schlussmaße zusammengefasst sind.

Der Zahlenwert eines Nenndrucks, z. B. bei PN 10, gibt den maximal zulässigen Betriebsüberdruck in barbei einer Betriebstemperatur von 20 °C an. Der Nenndruck wird ohne Einheit angegeben.Um eine Unzahl von Druckstufen zu vermeiden, wurde eine der betrieb-lichen Praxis gerecht werdende Anzahl von Nenndruck-Stufen verein-bart. Tabelle 1 zeigt die bevorzugten Nenndruck-Stufen.Benötigt man z. B. eine Rohrleitung für eine An lage, in der ein Arbeits-druck von 20 bar herrscht, so wählt man die Rohrleitungsteile für den je-weils höheren Nenndruck, also hier PN 25. Die Arma turen und Rohr-Formteile für die Rohrleitung müssen ebenfalls der Druckstufe PN 25 ent-sprechen.Die Wandstärke der Rohre ist, unter Berücksichtigung der Festigkeit des Rohrwerkstoffs so ausgelegt,dass sie dem genannten Nenndruck standhält. Für die verschiedenen Rohrwerkstoffe gibt es Maßnor-men der Hersteller. Tabelle 2 zeigt die Hauptmaße von Rohren aus unlegierten Stählen und ihre Eignungfür verschiedene Nenndrücke PN.

Man kann die Mindestwanddicke e einer mit dem Druck pe beaufschlagten geraden Rohrleitung nach DIN EN 13480-3 mit den nebenstehenden Gleichungen berechnen. Essind: pc Berechnungsdruck in N/mm2; mit 1 bar = 105 N/m2 = 0,1 N/mm2;f Auslegungsspannung in N/mm2; z Schweißnahtfaktor

Für nicht-auste- Für austeniti-f = �

R1p

,0

5,2

� ; f = �R1p

,0

2,2

� ;nitische Stähle: sche Stähle:

Für die zu bestellende Wanddicke eord werden noch Zuschläge für Korro-sion, Fertigungsabtrag und Herstellungstoleranz zugegeben.

4 · 3,200 · 109 mm3���π · 1858 mm2 · 3600 s

4 · 3,200 m3���π · 43,1 mm2 · h

Tabelle 2: Maße für Stahlrohre in mm aus unlegierten Stählen in Abhängigkeit von Nennweite und Nenndruck

(Richtwerte)

⎯⎯⎯⎯⎯⎯� Nennweiten DN ⎯⎯⎯⎯⎯⎯�

DN10 DN15 DN20 DN25 DN32 DN40 DN50 DN65 DN80 DN100 DN125 DN150 DN200 DN250 DN300 DN350 DN400

PN2,5 da 17,2 21,3 26,9 33,7 42,4 48,3 60,3 76,1 88,9 114,3 139,7 168,3 219,1 273 323,9 355,6 406,4PN6 s 1,8 2 2,3 2,6 2,6 2,6 2,9 2,9 3,2 3,6 4 4,5 5,9 6,3 7,1 7,1 7,1PN10PN16 di 13,6 17,3 22,3 28,5 37,2 43,1 54,5 70,3 82,5 107,1 131,7 159,3 207,3 260,4 309,7 341,4 392,2

da 219,1 273 323,9 406,4

PN25 s 6,3 7,1 8 8,8

di � � � � � � 206,5 258,8 307,9 � 388,8

da 48,3 76,1 88,9 114,3 139,7 168,3 219,1 273 323,9 355,6 406,4

PN63 s 2,9 3,2 3,6 4 4,5 5,6 7,1 8,8 11 12,5 14,2

di � � � � � 42,5 � 69,7 81,7 106,3 130,7 157,1 204,9 255,4 301,9 330,6 378

In den mit einem roten senkrechten Pfeil gekennzeichneten Bereich gelten die darüber stehenden Maße.

20 I Die Chemieanlage

Tabelle 1: Bevorzugte Nenn-

druck-Stufen (DIN EN 1333)

PN 2,5 PN 25

PN 6 PN 40

PN 10 PN 63

PN 16 PN 100

Nen

nd

ruck

-Stu

fen

PN

�⎯

Wanddicke eines Rohres

e =

oder

e = pc · da��

2 · f · z + pc

pc · di��2 · f · z – pc