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Chemische Prozesskunde 

(„Stoffflüsse“)

Produktionsmengen wichtiger Chemikalien (Mio. t / Jahr) 

Welt 2001 Deutschland 2001 / 2005 

Schwefelsäure ~180 3.1 / 4.6 

Chlor 41 3.1 / 5.1 

Ammoniak 106 2.5 / 2.8 

Ethylen 92 5.0 / 5.4 

Propylen 51 3.4 / 3.6 

Benzen 31 2.6 / 2.2 

Toluen 14 0.6 / 0.7 

Styren 20 0.7 / 0.8 

Methanol 28 1.9 / 2.0 

Stickstoffdüngemittel 88 

Phosphatdüngemittel 36 

Kalisalze 25 

Chemiefasern 31 

Kunststoffe 182 

Synthesekautschuk 11 

Farben & Lacke 24 2.2 / 2.4 

Titandioxid 4

Produktionswerte 

EU

Produktionswerte 

BR Deutschland

World‘s top chemical companies (excluding pharmaceuticals)

Chemische Prozesskunde: 

Von Rohstoffen zu Grundchemikalien und Zwischenprodukten 

Erdöl / Erdgas und Kohle 

Elementzusammensetzungen (%) 

Erdöl Braunkohle Steinkohle 

(Anthrazit) 

Kohlenstoff 85 – 90 65 – 70* > 91,5* 

Wasserstoff 10 – 14 7* < 3,8* 

Sauerstoff 0 - 2 28 – 23* < 2,5* 

Stickstoff 0,1 - 2 

Schwefel 0,1 - 7 

Metalle Spuren 

Flüchtige Anteile 55 – 50 < 12 

Wasser 60 – 35 < 1 

* … bezogen auf wasser- und aschefreie 

Kohlesubstanz

Zusammensetzung – Verbindungsklassen 

- Nichtcyklische Alkane (Paraffine) 

- Cycloalkane (Naphthene) 

- Aromaten 

- Schwefelverbindungen 

Raffinerien 

Erdöl 

• Kraftstoff 

• Petrochemie 

Rektifikation (Destillation) 

Extraktion (l/l) 

Katalytische Reaktoren 

- Hydrotreater (HT) Entfernung von Katalysatorgiften (S-haltig) 

- Reformer Umwandlung Naphtha in Vergaserkraftstoff 

- Catcracker Spaltung langkettiger Paraffine 

- Hydrocracker Spaltung / Hydrierung langkettiger 

Paraffine 

Thermische Reaktoren 

- Steamcracker Spaltung 

- Coker Spaltung und Herstellung von Koks

Erdöl 

Siedebereiche 

(°C) 

C3/C4 

bis 20 

20 – 75 

75 – 175 

175 – 225 

225 – 350

Erdöl

Produkte von Kraftstoffraffinerien: 

Erdöl 

Kraftstofftypen 

- Vergaserkraftstoff Octanzahl „Klopffestigkeit“ 

- Diesel Cetanzahl „Zündwilligkeit“ 

- Kerosin 

- Heizöl 

- Schmieröl 

Research-Octanzahl (ROZ) 

Cetanzahl 

n-Heptan 0 α-Methylnaphthalin 0 

Cyclohexan 25 n-Hexadecan 100 

Isooctan 100 (Cetan) 

Benzen 106 

Toluen 115 

Methanol 110 

Rohbenzin (Destillat) 60-75 Dieselkraftstoff 45-50 

Hydrocracker-Benzin 85 

Catcracker-Benzin 90-92 

Reformat-Benzin 95-99 

Pyrolyse-Benzin 97-100

Erdöl 

Thermisches Cracken - „Visbreaking“ 

T < 500°C 

(470-490°C) 

8 – 50 bar 

Rückstand der 

Atmosphärendestillation 

kurze Verweilzeit 

Umwandlung höher siedender Erdölfraktionen 

in Benzin, Diesel, Heizöl und Koks 

R-CH 2 

-CH 2 

-CH 2 

-CH 2 

-R‘ R-CH 2 

-CH 3 

+ CH 2 

=CH-R‘

Erdöl 

Thermisches Cracken 

Mittel-/ Hochtemperaturpyrolyse 

T > 500°C 

Fokus: 

Synthese von reaktionsfähigen 

niedermolekularen Verbindungen 

800 - 900°C: 

Ethen, Propen 

1300°C: 

Ethin 

thermodynamisch 

instabiler als C + H 2 

kurze Verweilzeit

Mittel-/ Hochtemperaturpyrolyse 

„Steamcracker“ 

Erdöl 

Vorheizung 110°C 

Abkühlung 

(Quenchen) 

Mischung 

400°C 200°C 

L = 60-80 m; d = 0,1 m 

Typische Produktverteilung @ 810 – 880 °C (Ultrakurzzeit: 0,2 – 0,3 sec) 

Methan 15% 

Ethen 30% 

Propen 14% 

Butadien 4% 

Buten 4% 

Pyrolysebenzin (> C5) 28%

Aufarbeitung der Steamcracker-Gase 

Erdöl 

80-100 Böden 

150-200 Böden 

35 bar 

Ethanolamin 

als Waschmittel

Erdöl 

Katalytisches Cracken – „FCC“ 

Katalysator: Zeolith Einsatz: Vakuumdestillat 

480 - 540°C 

Hauptproblem: 

Ablagerung von 

Koks auf Katalysator 

Anlagen bis 15.000 t/d 

Vorteile im Vergleich zum thermischen Cracken: 

- höhere Reaktionsgeschwindigkeit 

- hoher Anteil an C3/C4 Kohlenwasserstoffen im Crackgas 

- hoher Anteil an verzweigten Kohlenwasserstoffen im Crackbenzin

Erdöl 

Katalytisches Cracken – 2-stufiger Hydrocracker 

Katalysator: Zeolith, 300 - 450°C Einsatz: Vakuumdestillat, Rückstände 

1. Stufe: Hydrotreater 

(Entschwefelung) 

2. Stufe: Hydrocracker 

R-CH 2 

-SH + H 2 

R-CH 3 

+ H 2 

S 

R-CH 2 

-CH 2 

-CH 2 

-CH 2 

-R‘ + H 2 

R-CH 2 

-CH 3 

+ CH 2 

-CH 2 

-R‘ 

sehr flexibles Verfahren (bei hohem Aufwand) - Anlagen bis 500.000 t/a

Erdöl 

Reforming (katalytisch) 

Katalysator: Aluminiumoxid / Platin, 490 – 550°C 

Wesentliche Reaktionen: 

1. Isomerisierung von n-Alkanen zu iso-Alkanen 

2. Isomerisierung von Naphthenen 

3. Dehydrierung von Naphthenen zu Aromaten (+ Wasserstoff) 

4. Dehydrocyclisierung von n-Alkanen zu Naphthenen (+ Wasserstoff) 

CH 3 

C H 3 

R 

C H 3 

R 

H 3 

C 

CH 3 

CH 3 

+ 3 H 2 

CH 3 

CH 3 

H 3 

C 

CH 3 

CH 3 

+ H 2

Erdöl

Erdöl 

Effizientere 

Fahrzeuge 

Substitution 

durch Erdgas

Erdöl 

Organische Grundstoffe 

(petrochemische Raffinerie Steamcracker) 

PVC 

92 Mio t/a

Erdöl 


51 Mio t/a 

vgl.: 

Kunststoffe 182 Mio t/a 

davon PE & PP ~ 40%

Organische 

Grundstoffe


Erdöl


Erdöl

Erdgas 

Erdgasaufbereitung 

* ) 

* ) 

part. Oxidation CH 4 + 1,5 O 2 CO + 2 H 2 O 

Steamreforming CH 4 + H 2 O CO + 2 H 2 

Synthesegas

Erdgas 

Substitution 

von Kohle

Kohle 

1400°C, anaerob 

v.a. H 2 , CH 4 

< 150 t/a 

(inkl. Erdöl-basiert) 

„historisch“

Kohle 

Synthesegas (CO, H 2 

) 

Methanolsynthese, 

Hydroformylierung, 

Ammoniaksynthese 

Reduktionsgas (CO, H 2 

, CH 4 

) 

Erzreduktion 

Stadtgas (H 2 

, CH 4 

, CO, CO 2 

) 

Heizung 

C + O 2 

CO 2 

C + 2 H 2 

CH 4 

CO + 3 H 2 

CH 4 

+ H 2 

O 

C + CO 2 

2 CO 

CO + H 2 

O CO 2 

+ H 2 

C + H 2 

O CO + H 2

Kohle 

Winkler-Verfahren 

zur Kohlevergasung 

H 2 

O

Kohle 

Synthesegas zu Methanol ( „C1-Chemie“ Brennstoff) 

Katalysator: CuO/ZnO/Al 2 

O 3 

CO + 2 H 2 

CH 3 

OH -98 kJ/mol 

CO 2 

+ 3 H 2 

CH 3 

OH + H 2 

O -58 kJ/mol

Erdöl/Erdgas vs. Kohle 

Kat.: 

Fe/Co 

* ) 

Kat.: 

Zeolite 

* ) 

part. Oxidation 

Steamreforming 

Synthesegas


Fischer-Tropsch Verfahren (1925, Mülheim/R.) 

Katalysatoren auf Basis Co, Fe, Ni, Ru 

Alkane 

Alkene 

Alkohole


Methanol-to-Gasoline Verfahren (Mobile) 

Zeolit-Katalysatoren 

Exxon Mobile

Erdöl vs. Kohle

Nachwachsende Rohstoffe (Biomasse) 

Übersicht 

Gesamt Biomasse: 

Getreide 

170 * 10 9 t/a 

~2 * 10 9 t/a 

„erneuerbar“ 

Holz ~2 * 10 9 t/a davon ~13% „chemisch“ genutzt 

Öle/Fette 

< 0.1 * 10 9 t/a 

82% pflanzlich 

(Soja, Raps, Sonnenblume, Palme) 

Sekrete/Extrakte 

z.B.: Kautschuk 

4 * 10 6 t/a 

~ 3% genutzt: 

- Nahrungsmittel 

- Energieträger 

- Werkstoff / Material 

rel. schnelle 

Steigerung 

Erdöl 

Erdgas 

~4 * 10 9 t/a 

~2 * 10 9 t/a


Pflanzliche 

Biomasse 

© Cargill


aber: 

größerer, 

stark steigender 

Anteil an 

Deckung des 

Energiebedarfs

Nachwachsende Rohstoffe (Biomasse)




Herstellung fettchemischer Grundchemikalien 

Soja 

Palm 

Raps 

Sonnenbl. 

Pressen 

Extrahieren 

Schmelzen 

Mitteldruck 

(170°C, 6-12 bar, Kat.) 

Hochdruck 

(260°C, 55 bar) 

(250°C, Kat.) 

(240°C, 90 bar) 

(200-250°C, 

200-300 bar)


Derivate fettchemischer Grundchemikalien 

~90% Umwandlung an Carboxylgruppe 


Kraftstoff auf fettchemischer Basis: Biodiesel 

Kapazität 

pro Anlage: 

bis 500.000 t/a 

(Lurgi) 

Ertrag an Rapssaat 

3–5 t/ha 

Produktion an Biodiesel (D): 

1,1 Mio. t (2001) 5 Mio. t (2005)


Biodiesel 

- wird aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt 

- ist schwefelfrei (< 0,001 %) 

- senkt deutlich die Ruß-Emission (bis zu ca. 50%) 

- gibt bei der Verbrennung etwa soviel CO 2 

ab wie die Pflanze beim Wachstum 

aufgenommen hat (geschlossener CO 2 

-Kreislauf) 

- enthält kein Benzol und keine anderen Aromaten 

- verringert die Kohlenwasserstoff-Emission (vor allem die Emission von polycyclischen 

aromatischen Kohlenwasserstoff) 

- ist biologisch leicht abbaubar und gefährdet bei Unfällen nicht Boden und Grundwasser 

- ist kein Gefahrgut (der Flammpunkt liegt bei ca. 170° C) 

- besitzt eine hohe Schmierfähigkeit und schont den Motor 

- ist eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichem Diesel


Holz: 

Wichtige chemische 

Verbindungen 

40-55% 

30-35% 

20-30%

Holz: 

Chemischer Aufschluss 

Hauptweg: 


NaOH teilw. Lösung von Lignin 

Na 2 S vollst. Lösung von Lignin, 

teilw. Lösung von Hemicellulose 

~130 Mio. t/a


Cellulose: 

Chemische Derivatisierung und Verwendung 

R-OH + NaOH + CS 2 ROC(S)SNa 

ROC(S)SNa + H 2 SO 4 R-OH + CS 2 + Na 2 SO 4 

~130 Mio. t/a 

4-5 Mio. t/a 

Glycerin 

(Weichmacher)


Stärke 

aus Mais, Weizen, Reis, Kartoffel 

„traditionell“ (ca. 1990: 1 Mrd. t/a): 

überwiegend Ernährung


Stärke: 

Chemische Verarbeitung und Verwendung 

* 

* siehe „Bioraffinerie“


Zucker: 

Fermentative Verarbeitung und Verwendung 

aus Zuckerrohr, Rüben 

v.a. 

Saccharose 

Enzyme

Kraftstoff auf zuckerchemischer Basis: Bioethanol 

traditionell: 

aus Rohr- oder Rübenzucker 


in Kombination mit neuen Enzymen (z.B. Cellulasen): 

auch aus Cellulose oder anderen Polysaccharid-Quellen 

Ausfällung von 

Nichtzucker 

mit CaCO 3


Bioethanol 

Anlagengrößen bis 500.000 t/a 

2001 2008 

Brasilien 10.000 >17.000 

USA 3.500 >28.000 

D 0 800 

Welt >60.000 

Mio. L /a

Nachwachsende Rohstoffe – Bioraffinerie 

„Bio-Raffinerie“ als integriertes Konzept: 

Alternative und nachhaltige Wege von Rohstoffen zu chemischen Produkten 

(interdisziplinäre Entwicklung „Green Chemistry“) 

© FhI UMSICHT


Petrochemische Raffinerie vs. Bioraffinerie 

Ressourcen 

chemische Reaktionen und Prozesse 

Produkte 

Raffinerie auf Basis fossiler Rohstoffe 

Ölfeld 

Erdöl 

Raffinerie 

Rektifikation 

Cracken 

Reforming 

Chemische 

Synthese und 

Reaktionstechnik 

Formulierung, 

Verarbeitung 

Raffinerie auf Basis nachwachsender Rohstoffe 

Feld Verarbeitung 

Landwirtschaft mechanisch 

Biomasse Extraktion 

Biochemische 

Transformation 

Chemische 

Transformation 

Formulierung, 

Verarbeitung 

Führende Rolle der Chemie 

Führende Rolle der Biotechnologie 

Gemeinsame Führung durch Chemie und Biotechnologie


©B. Kamm


©B. Kamm


Getreide-Bioraffinerie 

Grüne Bioraffinerie 

LCF-Bioraffinerie 

©B. Kamm


• Fraktionierung: 

z.B. Extraktion


© FhI UMSICHT 

Biokraftstoffe der 2. Generation: 

a) Pellet Niederdruckvergasung 

SynGas Fischer-Tropsch 

b) „BioSlurry“ Flash-Pyrolyse „Crude Oil“ 

Status (Lurgi): 7 kg Stroh 1 L Kraftstoff @ 90 Cent


Herstellung flüssiger Kraftstoffe 

BioK 1. Generation 

BioK 2./3. Generation 

G. H. Vogel, CIT, 2007


© FhI UMSICHT 

Zwei-Plattformkonzept: 

Thermochemischer und biochemisch/chemischer Produktpfad 

in einer Bioraffinierie

Getreide-Bioraffinerie 


©B. Kamm

Ziel: 

Verarbeitungskapazität 

1,3 Mio t/Jahr


Werkstoff auf Basis von Stärke (biologisch abbaubar)


Werkstoff auf Basis von Stärke (biologisch abbaubar) 

Mater-Bi ® Produktionskapazität >100.000 t/Jahr 

© Novamont


Lignocellulose (LCF) Bioraffinerie 

©B. Kamm

Nachwachsende Rohstoffe – Bioraffinerie


O 

H 

O 

HO 

O 

H 

O 

HO 

O 

OH 

HO 

HO 

O 

OH 

OH



Monomer 1,3-propandiol (Bio-PDO) 

polymerisiert mit Terephthalsäure Sorona ® Polyester 

vgl. mit Nylon 6: 

30% Energieeinsparung, 55% weniger Treibhausgasemissionen 

© DuPont


HO 

OH 

O


Kapazität: 

140.000 t/a 

NatureWorks Biorefinery (Cargill), Blair, Nebraska, USA – seit 2002 

Maisstärke Polymilchsäure (PLA) 

= erste Synthesefaser 100% aus erneuerbaren Ressourcen



Grüne Bioraffinerie 


©B. Kamm


Fließschemata

Fließschemata für verfahrenstechnische Anlagen 

(nach EN ISO 10628, 2000) 

Definitionen 

Verfahren (process): Ablauf von chemischen, physikalischen oder biologische 

Vorgängen zur Gewinnung, Transport oder Lagerung von Stoffen und Energie. 

Verfahrensabschnitt (process step): Teil eines Verfahrens, der in sich 

überwiegend geschlossen ist, umfasst einer oder mehrere Grundoperationen. 

Grundoperation (unit operation): nach der Lehre der Verfahrenstechnik der 

einfachste Vorgang bei der Durchführung eines Verfahrens. 

Werk (works): Örtliche Zusammenfassung von Anlagenkomplexen mit der 

dazugehörigen Infrastruktur. 

Anlagenkomplex (industrial complex): Anzahl einzelner oder miteinander 

verbundener verfahrenstechnischer Anlagen mit den dazugehörigen Gebäuden 

Verfahrenstechnische Anlage (process plant): für die Durchführung eines 

Verfahrens notwendige Einrichtungen und Bauten. 

Teilanlage (plant section): Teil einer verfahrenstechnischen Anlage, der 

zumindest zeitweise selbständig betrieben werden kann. 

Anlagenteil (equipment): Ausrüstungsteil einer verfahrenstechnischen Anlage 

wie Behälter, Kolonne, Wärmeaustauscher, Pumpe oder Kompressor. 

Fließschema (flow diagram): Zeichnerische Darstellung der Ablaufs, Aufbaus 

und der Funktion einer verfahrenstechnischen Anlage oder Anlagenteils.

Grundfließbild 

(auch Prinzipschema - DIN 28004, EN ISO 10628) 

schematische Darstellung der Schritte eines Verfahrens 

Grundinformation: 

- Bezeichnung der einzelnen Verfahrensabschnitte 

(bei Einzelanlagen: Benennung der Grundoperationen, 

bei Anlagenkomplexen: Bennennung der Teilanlagen) 

- Benennung der Hauptstoffe (Ein- und Ausgangsstoffe) - Edukte und Produkte 

- Fließrichtung der Hauptstoffe 

Zusatzinformation: 

- Benennung der Stoffe zwischen den Verfahrensabschnitten 

- Benennung weiterer Stoffe außer den Hauptstoffen 

- Stoffströme bzw. Stoffmengen 

- Benennung der Energieart oder der Energieträger 

- Energieflüsse bzw. Mengen von Energieträgern 

- charakteristische Betriebsbedingungen

Industriekomplex 

Werk 

Anlage 

Teilanlage 

Anlagenteil

Verfahren 

Verfahrensabschnitt 

Grundoperation

Verfahrensfließbild 

(auch Verfahrensschema - DIN 28004, EN ISO 10628) 

zeigt die Arbeitsweise eines Verfahrens, enthält alle für das Verfahren 

erforderlichen Apparate und Maschinen sowie deren Schaltungen 


- alle für das Verfahren erforderlichen Apparate, Maschinen und 

Hauptfließrichtungen (Hauptrohrleitungen, Haupttransportwege) 

- Benennung und Durchflüsse oder Mengen der Hauptstoffe 

- Benennung der Energieart oder der Energieträger 

- charakteristische Betriebsbedingungen 


- Benennung und Durchflüsse bzw. Mengen der weiteren Stoffe innerhalb 

des Verfahrens 

- Energieflüsse bzw. Mengen von Energieträgern 

- wesentliche Armaturen (z.B. Ventile, Schaugläser, Berstscheiben) 

- Angaben über Mess- und Regeltechnik 

- charakteristische Betriebsbedingungen 

- Angaben über Größen von Apparaten und Maschinen 

- Höhenlage von Apparaten und Maschinen

Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild 

(RI-Fließbild – DIN 28004, EN ISO 10628) 

zeigt die gesamte technische Ausrüstung einer Anlage mit den konstruktive 

Einzelheiten 


- alle Apparate und Maschinen einschließlich installierter Reserve, 

alle Rohrleitungen bzw. Transportwege und alle Armaturen 

- Nennwerte, Druckstufe, Werkstoff und Ausführung der Rohrleitungen 

- Angaben zur Wärmedämmung von Apparaten, Maschinen und Rohrleitungen 

- Aufgabenstellung für Messen, Steuern und Regeln 

- kennzeichnende Größen von Apparaten und Maschinen 

- kennzeichnende Daten von Antriebsmaschinen 


- Benennung und Durchflüsse bzw. Mengen von Energie bzw. Energieträgern 

- wichtige Geräte für Messen, Steuern und Regeln 

- wichtige Werkstoffe von Apparaten und Maschinen 

- Höhenlage von Apparaten und Maschinen

Mess- und Regelschema

Fließschemata 

Beispiel: Rektifikation von Erdöl 

Grundfließbild



Verfahrensfließbild



R&I-Fließbild zum Verfahrensfließbild (Teil: Reindestillation)

Mengenfließbilder 

Mengenstrombild

Mengenfließbilder 

Wärmestrombild

Verfahrensablaufplan 

(bei diskontinuierlichem / 

Chargen-Verfahren)

Planung und Bau von Anlagen 

Montageschema 

Aufstellungsplan 

Anlagenmodelle: 

1. Layout-Modell 

2. Grundmodell (1:33 oder 1:25) 

3. Rohrleitungsmodell 

CAD-Modelle

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