Chemische Technik/ Verfahrenstechnik

Daniel S. Christen

Praxiswissender chemischenVerfahrenstechnik

123

Handbuch für Chemiker und Verfahrensingenieure

123

isbn 3-540-40322-1 Springer Berlin Heidelberg New York

Bibliografische Information der Deutschen BibliothekDie Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in derDeutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografischeDaten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> aufrufbar

Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, desNachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oderder Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nurauszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch imEinzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutsch-land vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwi-derhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.

Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Mediaspringer.de

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2005Printed in Germany

Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auchohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Marken-schutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.

Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI,VDE) Bezug ge-nommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für Richtigkeit, Vollständigkeit oderAktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oderRichtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen.

Satz: Autorendaten, Computer to plate

Einbandgestaltung: Struve & Partner, Heidelberg

68/3020 uw – Gedruckt auf säurefreiem Papier – 5 4 3 2 1 0

Prof. Dr. Daniel S. ChristenBerner FachhochschuleHochschule für Technik und InformatikPestalozzistr. 203400 BurgdorfSwitzerland

daniel.christen@hti.bfh.ch

isbn 3-540-40322-1 Springer Berlin Heidelberg New York

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Vorwort

Es existieren ja schon einige Bücher auf dem Gebiet der chemischen Ver-fahrenstechnik. Warum soll noch ein neues dazukommen? Die bisher ver-öffentlichten Bücher bieten zum Teil gute Kurzübersichten zum Themaoder bestechen durch tolle Abbildungen, dafür verzichten sie auf einfach-ste Erklärungen und Berechnungen. Andere Bücher wiederum sind äußerstumfangreich und verwirren mit komplexen mathematischen Herleitungenoder für den Praktiker unnötigen historischen Ausflügen. Im Gespräch mitStudenten, Technikern, Ingenieuren und Chemikern manifestierte sichimmer wieder das Verlangen nach einem Buch, welches das Thema knappaber doch erschöpfend darzustellen vermag, welches Verständnis weckt,welches zielgerichtete Ratschläge gibt und die Plausibilität von Annahmenund Resultaten durch unkomplizierte Berechnungen zu überprüfen erlaubt.

Viel Wissen steht heute im Internet und kann zügig heruntergeladenwerden. Informationen lassen sich auch von Apparateherstellern, Anlage-bauern, Ingenieurbüros oder anderen Anwendern beziehen. Doch wer täg-lich in Forschung, Entwicklung oder Produktion tätig ist, weiß wie vielZeit ein solches Vorgehen erfordert und dass die erhaltenen Auskünftenicht immer als zuverlässig zu erachten sind. Wie wertvoll ist da ein eige-nes Nachschlagewerk, in dem man in Minutenschnelle zu den relevantenInformationen vorstößt und bei Bedarf auch gleich die physikalisch-chemischen Grundlagen nachschlagen kann?

Das vorliegende Buch stellt das Wissen der chemischen Verfahrens-technik in umfassender und zusammenhängender Form dar. Formeln undSymbole werden einheitlich und gemäß den neusten Normen verwendet.Die Herleitungen erfolgen didaktisch aufbauend von den Grundlagen biszu den Anwendungen, von der Forschung im Labor bis zur Herstellung imgroßtechnischen Maßstab. Das Buch richtet sich an den versierten und anZusammenhängen interessierten Leser, der die Prozesse der chemischenVerfahrenstechnik ursächlich verstehen möchte. Es richtet sich genausogut auch an den Praktiker, der in Kenntnis der Hintergründe ein Verfahrenzu optimieren versucht. Es richtet sich an all diejenigen, die sich mit Freu-de und Begeisterung mit der faszinierenden Welt der Chemie, der chemi-

VI Vorwort

schen Produktion und des chemischen Apparatebaus auseinanderzusetzengedenken.

„Errare humanum est“, Irren ist menschlich! Das Buch erscheint in sei-ner ersten Auflage. Die Niederschrift erfolgte nach bestem Wissen undGewissen. Trotzdem können sich Fehler eingeschlichen haben oder gewis-se Sachverhalte missverständlich dargestellt sein. Sollte dies vorkommen,möchte ich mich dafür entschuldigen. Für Verbesserungshinweise bin ichimmer dankbar. Für Irrtümer und Schäden, die als Folge des Gebrauchsdieses Buchs entstehen, kann ich aber keine Haftung irgendwelcher Artübernehmen. Die mit diesem Buch erhaltenen Resultate sind stets hin-sichtlich ihrer Plausibilität kritisch zu überprüfen, mit Fachleuten zu be-sprechen und bei Bedarf im Experiment zu bestätigen. Die Versuche sindunter geeigneten Bedingungen durchzuführen, die auch ein extremes, un-erwartetes Verhalten aufzuzeigen in der Lage sind. Die zuverlässigstenGrundlagen ergeben sich aus Experimenten in Zusammenwirkung mit fun-diertem wissenschaftlichen Verständnis.

Noch sind nicht alle Einheitsoperationen der chemischen Verfahrens-technik in diesem Buch beschrieben. Das soll in späteren Auflagen nach-geholt werden. Der Schwerpunkt dieser ersten Auflage liegt auf der kor-rekten und weit reichenden Darstellung der Grundlagen der chemischenVerfahrenstechnik.

An der Illustration des Buchs haben verschiedene Personen mit gehol-fen, denen ich allen danke. Besonders hervorheben möchte ich die Leis-tungen von Herrn Daniel Leuenberger, Chemiker FH, für das Zeichnender meisten der z.T. komplexen Abbildungen, was er mit viel technischemSachverstand ausführte. Meinen Familienangehörigen und Freunden dankeich für ihr Verständnis, dass ich einen großen Teil meiner Freizeit demVerfassen dieses Buchs gewidmet habe.

Viel Vergnügen beim Lesen und erfolgreiches Gelingen bei der Anwen-dung des erworbenen Wissens wünscht Ihnen

Bern, im Juni 2004 Daniel Siegfried Christen

Aufbau des Buches

Das vorliegende Buch gliedert sich in vier Teile, wobei jeder Teil für sicheinen wesentlichen Teilbereich der chemischen Verfahrenstechnik ab-deckt. Der Inhalt der vier Teile sei hier anhand der wichtigsten Kapitelkurz vorgestellt.

Teil I: Chemische und verfahrenstechnische GrundlagenEinführung, Projektierung, Werkstoffe, Reaktionstechnik

Teil II: Submikroskopische AusgleichsvorgängeStrömungslehre, Wärmeübertragung, Stofftransport

Teil III: Grundoperationen der chemischen VerfahrenstechnikMischen/ Rühren, Sedimentieren, Verdampfen, Kondensieren,Destillieren, Rektifizieren, Trocknen

Teil IV: RegelungstechnikSteuerung und Regelung, Reglertypen, Regelgüte, Einstellregeln für in-dustrielle Regler, komplexe Regelsysteme, Prozessleittechnik

Teil I liefert die Grundlagen der chemischen Verfahrenstechnik. Im Ka-pitel „Einführung“ wird die einheitliche Verwendung von Symbolen undMaßeinheiten entsprechend den neusten Richtlinien und Normen vorge-stellt. Dazu gibt es Adresshinweise auf Fachorganisationen, bei denenweitergehende Informationen und Unterlagen angefordert werden können.Das Kapitel „Projektierung“ beschreibt das Vorgehen zur folgerichtigenUmsetzung von Laborprozessen in den großtechnischen Maßstab. Dabeistehen Projektabläufe und die Projektorganisation im Vordergrund. DasKapitel „Werkstoffe“ befasst sich mit Korrosion und Verschleiß sowie mitdem Ziel, einen für den Prozess geeigneten, Chemikalien beständigenWerkstoff auswählen zu können. Das Kapitel „Reaktionstechnik“ ver-gleicht verschiedene Reaktortypen und liefert Methoden zur Berechnungvon Umsatz und Ausbeute.

VIII Aufbau des Buches

Teil II befasst sich ausschließlich mit submikroskopischen Ausgleichs-vorgängen, die allesamt auf der Bewegung von kleinen Teilchen beruhen.Wenn sich einzelne Atome, Moleküle oder ganze Molekülpakete gegen-einander verschieben, so entsteht Reibung zwischen den Teilchen. Mit denTeilchen selbst werden Wärme und Stoff verschoben. Insgesamt entstehenso Impuls-, Wärme- und Stofftransporte, die darauf ausgerichtet sind, örtli-che Unterschiede in Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur und Konzen-tration auszugleichen. Das Kapitel „Strömungslehre“ liefert Methoden zurBerechnung von Druckabfall und Impulskräften in Rohrleitungen und Fall-filmen. Im Unterkapitel „Rheologie“ werden nicht Newton’sche, zähflie-ßende Medien behandelt. Das Kapitel „Wärmeübertragung“ liefert Metho-den zur Berechnung von Wärmeflüssen, wie sie in Wärmeübertragern oderin Rührkesseln ablaufen. Das Kapitel „Stofftransport“ befasst sich mit demAusgleich von Konzentrationsunterschieden. Ein abschließendes Unterka-pitel führt die Strömungslehre, die Wärmeübertragung und den Stofftrans-port auf gemeinsame physikalische Ursachen zurück.

Teil III geht auf die Grundoperationen der chemischen Verfahrenstech-nik ein. Chemische Grundoperationen sind Prozesse, bei denen eine Stoff-umwandlung nach technisch einheitlichem Muster erfolgt. Man unter-scheidet zwischen mechanischen und thermischen Grundoperationen jenachdem, auf welchen Prinzipien die stoffliche Veränderung beruht. Me-chanische Grundoperationen beschreiben z.B. die Kapitel „Mischen/ Rüh-ren“ oder „Sedimentieren“. Thermische Grundoperationen beschreibenz.B. die Kapitel „Verdampfen“, „Kondensieren“, „Trocknen“, „Destillie-ren“ oder „Rektifizieren“.

Teil IV beinhaltet die Regelungstechnik, wie sie zur Prozessautomationeines modernen chemischen Verfahrens benötigt wird. Der Teil beginntmit einer Einführung in die Grundlagen der Regelungstechnik und umfasstKapitel wie „Steuerung und Regelung“, „Reglertypen“, „Regelgüte-kriterien“, „Einstellregeln für industrielle Regler“ und „Komplexe Regel-systeme“. Das letzte Kapitel „Prozessleittechnik“ beschreibt die Funktionzeitgemäßer Automations- und Überwachungssysteme und gibt Sicher-heitshinweise zur Führung Computer gesteuerter Anlagen.

Das Buch enthält viele Abbildungen, Formeln und Tabellen, die eineüberschlagsmäßige Abschätzung von Prozessen und Verfahren ermögli-chen. Am Ende eines jeden Kapitels sind Testfragen und Aufgabenstellun-gen aus der Praxis angefügt, um das persönlich erworbene Fachwissen zuüberprüfen und zu festigen. Die Lösungen sind am Ende der jeweiligenBuchteile separat aufgeführt. Ein ausführliches Sachverzeichnis am Endedes Buchs erlaubt ein schnelles Auffinden von relevanten Textstellen.

Inhalt

Teil I Grundlagen.......................................................................................1

1 Einführung ..............................................................................................31.1 Definitionen ......................................................................................31.2 Fachorganisationen...........................................................................8

Europa...............................................................................................8Deutschland ......................................................................................9Schweiz...........................................................................................10Österreich .......................................................................................10

1.3 Maßeinheiten ..................................................................................111.4 Fragen aus der Praxis......................................................................181.5 Literatur ..........................................................................................18

2 Projektierung ........................................................................................212.1 Maßstabsvergrößerung ...................................................................21

Ähnlichkeiten .................................................................................21Scale-Up Methoden ........................................................................24Dimensionslose Kenngrößen..........................................................26Buckingham Π-Theorem................................................................30

2.2 Planung von Chemieanlagen ..........................................................33Blockschema...................................................................................34Verfahrensfließbild.........................................................................34RI-Schema ......................................................................................36Anlagenmodell................................................................................38Rohrleitungsmodell ........................................................................38CAD-3D-Grafik..............................................................................39Isometrische Zeichnung..................................................................40

2.3 Projektmanagement ........................................................................41Projektphasen .................................................................................41Projektorganisation.........................................................................46

X Inhalt

2.4 Zeit- und Ressourcenplanung ......................................................... 49Balkendiagramme........................................................................... 50Netzplandiagramme........................................................................ 51Zuordnung von Ressourcen ............................................................ 56

2.5 Fragen aus der Praxis...................................................................... 572.6 Literatur .......................................................................................... 58

3 Werkstoffe ............................................................................................. 593.1 Mechanische Eigenschaften............................................................ 59

Festigkeit ........................................................................................ 59Kerbschlagzähigkeit ....................................................................... 65Härte ............................................................................................... 66

3.2 Korrosion........................................................................................ 71Definitionen.................................................................................... 71Voraussetzungen............................................................................. 72Korrosionsarten .............................................................................. 75

3.3 Korrosionschutz.............................................................................. 78Werkstoff ........................................................................................ 79Beschichtung .................................................................................. 79Konstruktion ................................................................................... 84Elektrischer Strom .......................................................................... 85Medium........................................................................................... 85

3.4 Eisen & Stahl .................................................................................. 88Herstellung ..................................................................................... 88Unlegierter Stahl............................................................................. 89Legierter Stahl ................................................................................ 92Gusseisen........................................................................................ 95

3.5 Nicht-Eisenmetalle ......................................................................... 96Leichtmetalle .................................................................................. 97Schwermetalle ................................................................................ 99Sondermetalle ............................................................................... 104Edelmetalle ................................................................................... 108

3.6 Keramiken .................................................................................... 110Tonkeramik................................................................................... 111Glas............................................................................................... 115Kunstkohle & Elektrographit........................................................ 120

3.7 Kunststoffe ................................................................................... 121Thermoplaste ................................................................................ 127Duroplaste..................................................................................... 134Elastomere .................................................................................... 136

Inhalt XI

3.8 Naturstoffe ....................................................................................142Holz ..............................................................................................142Steine ............................................................................................144

3.9 Fragen aus der Praxis....................................................................1443.10 Literatur ......................................................................................145

4 Reaktionstechnik.................................................................................1474.1 Begriffe.........................................................................................147

Homogene und heterogene Reaktionen ........................................147Strömungsführung ........................................................................148Umsatz, Ausbeute, Selektivität, Leistung, Kapazität....................150

4.2 Reaktoren......................................................................................152Rührkessel ....................................................................................153Rohrreaktor...................................................................................155Kolonne, Säule, Turm...................................................................156Wirbelschichtreaktor ....................................................................158

4.3 Stoffbilanzen.................................................................................163Idealer diskontinuierlich betriebener Rührkessel .........................165Idealer kontinuierlich betriebener Rohrreaktor ............................166Idealer kontinuierlich betriebener Rührkessel ..............................167Vergleich der idealisierten Reaktortypen .....................................168

4.4 Verweilzeitverteilung ...................................................................169Rohrreaktor...................................................................................169Kontinuierlich betriebener Rührkessel .........................................170Rührkesselkaskade........................................................................171

4.5 Fragen aus der Praxis....................................................................1734.6 Literatur ........................................................................................174

5 Berechnungen und Antworten zu Teil I............................................1755.1 Einführung ....................................................................................1755.2 Projektierung ................................................................................1765.3 Werkstoffe ....................................................................................1785.4 Reaktionstechnik ..........................................................................179

Teil II Ausgleichsvorgänge....................................................................183

6 Strömungslehre ...................................................................................1856.1 Einleitung......................................................................................185

Flüssigkeiten und Gase.................................................................185Kontinuitätsgleichung...................................................................185Ideale und reale Fluide .................................................................187

XII Inhalt

6.2 Strömung ohne Reibung ............................................................... 187Bernoulli ....................................................................................... 187Torricelli ....................................................................................... 188

6.3 Strömung mit Reibung.................................................................. 190Viskosität, Reibungswiderstand ................................................... 190CW-Wert, Wirbelwiderstand........................................................ 193Laminare und turbulente Strömung.............................................. 195

6.4 Rohrströmung ............................................................................... 196Laminare Rohrströmung............................................................... 196Turbulente Rohrströmung............................................................. 199Druckabfall im Rohr..................................................................... 200Hydraulischer Durchmesser ......................................................... 203Rohrleitungseinbauten .................................................................. 204Betriebskennlinie, Pumpenkennlinie ............................................ 207

6.5 Filmströmung................................................................................ 210Strömungsformen ......................................................................... 211Geschwindigkeitsprofil................................................................. 211Volumenstrom .............................................................................. 213

6.6 Impulskraft.................................................................................... 2146.7 Rheologie...................................................................................... 216

Mechanisches Verhalten von Körpern ......................................... 217Scherratenabhängige Viskosität ................................................... 219Zeitabhängige Viskosität .............................................................. 222Viskoelastizität ............................................................................. 223Messpraxis .................................................................................... 224

6.8 Fragen aus der Praxis.................................................................... 2266.9 Literatur ........................................................................................ 229

7 Wärmeübertragung............................................................................ 2317.1 Einleitung ..................................................................................... 231

Strahlung....................................................................................... 232Wärmeleitung ............................................................................... 232Konvektion ................................................................................... 233Kombination der Wärmeübertragungsmechanismen ................... 233

7.2 Strahlung....................................................................................... 233Strahlungsgesetze ......................................................................... 233Wärmestrahlung zwischen Körpern ............................................. 238

7.3 Wärmeleitung ............................................................................... 243Eindimensionaler Stab.................................................................. 243Zusammengesetzte Wand ............................................................. 252Rohrwand ..................................................................................... 254Dreidimensionaler Körper ............................................................ 257

Inhalt XIII

7.4 Konvektion ...................................................................................259Dimensionslose Kenngrößen........................................................262Ebene Flächen...............................................................................267Rohre/ Rohrbündel .......................................................................269Rührkessel ....................................................................................274Kugeln/ Schüttschichten ...............................................................276

7.5 Wärmedurchgang..........................................................................277Ebene Wände................................................................................278Rohre ............................................................................................281Einfluss der Strömungsführung ....................................................283Mittlere treibende Temperaturdifferenz .......................................286Aufheizen/ Abkühlen eines Rührkessels ......................................287

7.6 Wärmeübertrager ..........................................................................290Bauarten........................................................................................290Heiz- und Kühlmedien..................................................................297Auslegung.....................................................................................301

7.7 Fragen aus der Praxis....................................................................3027.8 Literatur ........................................................................................303

8 Stofftransport ......................................................................................3058.1 Einleitung......................................................................................305

Diffusion.......................................................................................306Konvektion ...................................................................................306Kombination der Stofftransportmechanismen..............................306

8.2 Diffusion.......................................................................................307Eindimensionale Diffusion ...........................................................307Dreidimensionale Diffusion .........................................................316

8.3 Konvektion ...................................................................................317Dimensionslose Kenngrößen........................................................320Dimensionslose Gleichungen für den Stoffübergang ...................322

8.4 Stoffdurchgang .............................................................................325Zweifilmtheorie ............................................................................326Penetrationstheorie .......................................................................332Oberflächenerneuerungstheorie....................................................333Mittlere treibende Konzentrationsdifferenz..................................335

8.5 Stofftransport und chemische Reaktion........................................336Chemische Reaktion an der Phasengrenzfläche ...........................337Chemische Reaktion in der zweiten Phase ...................................339

8.6 Stofftransport und Wärmeübertragung .........................................342Dimensionslose Lewis-Beziehung................................................343Wärme- und Stofftransport beim Trocknen..................................345

XIV Inhalt

8.7 Analogien des Impuls-, Wärme- und Stofftransports ................... 347Transportgleichungen ................................................................... 347Dimensionslose Beziehungen....................................................... 348Grenzschichten ............................................................................. 350

8.8 Fragen aus der Praxis.................................................................... 3528.9 Literatur ........................................................................................ 352

9 Berechnungen und Antworten zu Teil II .......................................... 3559.1 Strömungslehre............................................................................. 3559.2 Wärmeübertragung ....................................................................... 3649.3 Stofftransport ................................................................................ 368

Teil III Grundoperationen .................................................................... 373

10 Mischen, Rühren............................................................................... 37710.1 Einleitung ................................................................................... 377

Diffusion..................................................................................... 377Konvektion ................................................................................. 377Dispergierung ............................................................................. 378

10.2 Rührertypen ................................................................................ 37810.3 Strömungsbild............................................................................. 37910.4 Wahl des Rührertyps .................................................................. 38110.5 Leistungsbedarf eines Rührwerks............................................... 38110.6 Statische Mischer........................................................................ 38310.7 Fragen aus der Praxis.................................................................. 38410.8 Literatur ...................................................................................... 385

11 Sedimentieren.................................................................................... 38711.1 Definition.................................................................................... 38711.2 Maßgebende Kräfte .................................................................... 38811.3 Strömung um ein kugelförmiges Teilchen ................................. 38911.4 Sinkgeschwindigkeit beliebig geformter Teilchen ..................... 39211.5 Sinkgeschwindigkeit eines Teilchenschwarms........................... 39411.6 Auslegung von Sedimentationsapparaten................................... 39511.7 Fragen aus der Praxis.................................................................. 39611.8 Literatur ...................................................................................... 397

Inhalt XV

12 Verdampfen.......................................................................................39912.1 Begriffe und Definitionen...........................................................399

Arbeitsweise einer Verdampfungsstufe ......................................399Dampfarten .................................................................................402Dampfdruckkurve.......................................................................402Siedepunktserhöhung durch gelösten Stoff ................................406

12.2 Verdampfungsarten.....................................................................408Oberflächenverdampfung ...........................................................408Blasensieden ...............................................................................409übergangssieden..........................................................................410Filmsieden ..................................................................................411Verdampfung in einem senkrechten Rohr ..................................413

12.3 Verdampferbauarten ...................................................................417Rührkessel ..................................................................................417Plattenverdampfer.......................................................................417Dünnschichtverdampfer..............................................................418Rohrbündelverdampfer ...............................................................418Brüdenverdichtung .....................................................................420Mehrstufenverdampfung ............................................................421

12.4 Fragen aus der Praxis..................................................................42512.5 Literatur ......................................................................................426

13 Kondensieren.....................................................................................42713.1 Begriffe und Definitionen...........................................................427

Tropfen- und Filmkondensation .................................................428Wirkung von Inertgasen .............................................................428

13.2 Wärmeübergang bei Filmkondensation ......................................429Laminare Strömung ....................................................................430Turbulente Strömung..................................................................432Horizontale Rohre.......................................................................433

13.3 Kondensatorbauarten ..................................................................434Oberflächenkondensatoren .........................................................435Mischkondensatoren...................................................................435

13.4 Fragen aus der Praxis..................................................................43713.5 Literatur ......................................................................................437

14 Destillation.........................................................................................43914.1 Einleitung....................................................................................439

Prinzip der Destillation ...............................................................43914.2 Physikalische Grundlagen ..........................................................440

Gesetze von Dalton und Raoult ..................................................440Relative Flüchtigkeit...................................................................442

XVI Inhalt

Dampfdruckdiagramm................................................................ 444Temperaturdiagramm ................................................................. 447Zusammensetzungsdiagramm..................................................... 448Reale Mischungen ...................................................................... 450Azeotropie .................................................................................. 453

14.3 Destillationsverfahren................................................................. 456Absatzweise offene Destillation ................................................. 456Trägerdampfdestillation.............................................................. 460

14.4 Fragen aus der Praxis.................................................................. 46414.5 Literatur ...................................................................................... 464

15 Rektifikation...................................................................................... 46715.1 Einleitung ................................................................................... 467

Prinzip der Rektifikation ............................................................ 467Aufbau einer Rektifikationskolonne........................................... 468

15.2 Berechnung der theoretischen Stufenzahl .................................. 470Gleichgewichtslinie .................................................................... 470Verstärkungsgerade .................................................................... 471Abtriebsgerade............................................................................ 474Schnittpunktsgerade.................................................................... 476Rücklaufverhältnis...................................................................... 478Trennstufenzahl .......................................................................... 481

15.3 Einbauten von Rektifikationskolonnen....................................... 484Böden.......................................................................................... 484Füllkörper ................................................................................... 487Geordnete Packungen ................................................................. 491

15.4 Dimensionierung einer Rektifikationskolonne ........................... 493Dampfgeschwindigkeit ............................................................... 493Druckabfall ................................................................................. 493Kolonnendurchmesser ................................................................ 496Heizung/ Kühlung....................................................................... 498Kurzanleitung des methodischen Vorgehens.............................. 500

15.5 Sonderfälle der Rektifikation...................................................... 501Zweidruckrektifikation ............................................................... 501Extraktive Rektifikation ............................................................. 503Azeotrope Rektifikation ............................................................. 504Diskontinuierliche Rektifikation ................................................ 505Reaktivdestillation ...................................................................... 507

15.6 Fragen aus der Praxis.................................................................. 50815.7 Literatur ...................................................................................... 509

Inhalt XVII

16 Trocknung .........................................................................................51116.1 Einleitung....................................................................................511

Prinzip der Trocknung ................................................................511Art der Wärmeübertragung.........................................................514

16.2 Zustandsänderung des feuchten Guts .........................................516Feuchtigkeitsbindung..................................................................516Trocknungsverlauf......................................................................519

16.3 Zustandsänderung der feuchten Luft ..........................................522Eigenschaften der feuchten Luft .................................................522Heizen/ Kühlen ...........................................................................526Mischen von zwei Luftmassen ...................................................527Mischen von Luft mit Wasser.....................................................528Trocknungsprozesse mit warmer Luft ........................................531

16.4 Trocknungsapparate....................................................................534Konvektionstrockner ..................................................................534Kontakttrockner ..........................................................................540Gefriertrockner ...........................................................................542Auswahl und Auslegung eines Trockners ..................................544Sicherheit beim Trocknen...........................................................546

16.5 Fragen aus der Praxis..................................................................54916.6 Literatur ......................................................................................550

17 Berechnungen und Antworten zu Teil III ......................................55317.1 Mischen, Rühren.........................................................................55317.2 Sedimentieren .............................................................................55417.3 Verdampfen ................................................................................55517.4 Kondensieren ..............................................................................55817.5 Destillation..................................................................................56017.6 Rektifikation ...............................................................................56317.7 Trocknung...................................................................................567

Teil IV Regelungstechnik ......................................................................573

18 Einleitung in die Regelungstechnik .................................................57518.1 Aufgabe einer Regelung .............................................................57518.2 Begriffe und Bezeichnungen ......................................................57618.3 Beispiele von Regelungen ..........................................................57718.4 Fragen aus der Praxis..................................................................580

XVIII Inhalt

19 Steuerung und Regelung .................................................................. 58119.1 Wirkungsplan.............................................................................. 58119.2 Steuerung.................................................................................... 58419.3 Regelung..................................................................................... 58619.4 Fragen aus der Praxis.................................................................. 591

20 Übertragungsverhalten .................................................................... 59320.1 Beharrungskennlinie................................................................... 59420.2 Dynamische Eingangsfunktionen ............................................... 59520.3 Sprungantworten......................................................................... 595

Proportionalverhalten ................................................................. 595Verzögerungsverhalten............................................................... 598Integralverhalten......................................................................... 600Differentialverhalten................................................................... 601Totzeitverhalten .......................................................................... 603Verhaltenskombinationen........................................................... 604

20.4 Frequenzgänge............................................................................ 605Bode-Diagramm ......................................................................... 607Nyquist-Ortskurve ...................................................................... 608

20.5 Fragen aus der Praxis.................................................................. 609

21 Reglertypen ....................................................................................... 61121.1 Stetige Regler ............................................................................. 613

P-Regler ...................................................................................... 613I-Regler....................................................................................... 614PI-Regler..................................................................................... 614D-Regler ..................................................................................... 615PD-Regler ................................................................................... 616PID-Regler.................................................................................. 617

21.2 Unstetige Regler ......................................................................... 617Zweipunktregler.......................................................................... 618Dreipunktregler........................................................................... 620

21.3 Fragen aus der Praxis.................................................................. 621

22 Regelgüte ........................................................................................... 62322.1 Führungsverhalten ...................................................................... 62322.2 Störverhalten............................................................................... 62522.3 Bewertung der Regelgüte ........................................................... 62622.4 Bewertung der Regelbarkeit ....................................................... 62922.5 Fragen aus der Praxis.................................................................. 631

Inhalt XIX

23 Einstellregeln für industrielle Regler ..............................................63323.1 Ziegler-Nichols ...........................................................................63423.2 Chien-Hrones-Reswick...............................................................63523.3 T-Summen-Regel........................................................................63623.4 Fragen aus der Praxis..................................................................638

24 Komplexe Regelsysteme ...................................................................63924.1 Split-Range-Regelung ................................................................63924.2 Kaskadenregelung ......................................................................64124.3 Verhältnisregelung......................................................................64324.4 Fragen aus der Praxis..................................................................645

25 Prozessleittechnik..............................................................................64725.1 Entwicklung der Prozessleittechnik............................................64725.2 Aufbau eines Prozessleitsystems ................................................65025.3 Funktionen eines Prozessleitsystems..........................................65125.4 Darstellungen im Prozessleitsystem ...........................................65325.5 Sicherheit computergesteuerter Anlagen ....................................65425.6 Fragen aus der Praxis..................................................................656

26 Berechnungen und Antworten zu Teil IV.......................................65926.1 Einleitung....................................................................................65926.2 Steuerung und Regelung.............................................................66026.3 Übertragungsverhalten................................................................66326.4 Reglertypen.................................................................................66626.5 Regelgüte ....................................................................................66926.6 Einstellmethoden für industrielle Regler ....................................67126.7 Komplexe Regelsysteme ............................................................67426.8 Prozessleittechnik .......................................................................676

27 Literatur zur Regelungstechnik.......................................................679

Sachverzeichnis ......................................................................................681

Teil IGrundlagen

Hier folgt ein kurzer Überblick über die Kapitel des ersten Buchteils.

1. Einführung:Definitionen, Fachorganisationen, Maßeinheiten

2 Projektierung:Maßstabvergrößerung, Planung von Chemieanlagen,Zeit- und Ressourcenplanung, Projektorganisation

3 Werkstoffe:Eigenschaften, Konstruktionsmaterialien, Korrosionsschutz

4 Reaktionstechnik:Bauarten, Reaktionsführung, chemischer Umsatz

Im Teil I des Buches werden die Grundlagen der chemischen Verfah-renstechnik erarbeitet. Es soll das Verständnis für die Abläufe in einemchemischen Betrieb geweckt werden. Es geht um die Definition von Be-griffen, um das Vergrößern von Prozessen aus dem Labor in den Produkti-onsmaßstab (Scale-up), um das Management von Projekten, um das Ver-halten und die Auswahl von Werkstoffen unter chemischen undmechanischen Beanspruchungen und schließlich um chemische Stoffum-wandlungsvorgänge in verschiedenen Reaktionsapparaten.

1 Einführung

1.1 Definitionen

Die chemische Verfahrenstechnik befasst sich mit technischen Prozessenim Hinblick auf die Produktion von chemischen Erzeugnissen. Im Zentrumsteht die Umsetzung der im Labor gewonnenen Erkenntnisse auf eine Pro-duktion im Kilogramm- oder Tonnen-Maßstab. Die wichtigsten Aufgabender chemischen Verfahrenstechnik liegen in Teilbereichen wie

− Berechnung und Konstruktion von Apparaten,− Beurteilung der Beständigkeit und Festigkeit von Werkstoffen,− Kenntnisse der Maßstabsvergrößerung,− Strömungslehre, Wärme- und Stofftransport,− Mess- und Regelungstechnik,− Projektplanung und Realisierung,− Wirtschaftlichkeit und Unternehmensführung,− Sicherheit, Gesundheits- und Umweltschutz.

Die chemische Verfahrenstechnik ist eine interdisziplinäre Wissen-schaft, die auf den Fachgebieten Mathematik, Physik, Chemie, Material-wissenschaften, Sicherheit, Ökologie und Betriebswirtschaft aufbaut. Daseigentliche Ziel der chemischen Verfahrenstechnik ist die Stoffumwand-lung. Die Stoffumwandlung kann erfolgen durch

− Änderung der Zusammensetzung, z.B. durch Filtration einer Suspen-sion, durch Destillation einer Lösung oder durch Trocknung eines Pul-vers,

− Änderung der Form und Größe, z.B. durch Zerkleinerung von Erzge-stein oder durch Kristallisation eines Salzes,

− Änderung der Stoffart, z.B. durch chemische oder biochemische Reak-tionen.

Zusammensetzung, Form und Größe von Stoffen können durch physi-kalische Vorgänge beeinflusst werden. Die Stoffart kann durch chemischeoder biochemische Vorgänge verändert werden.

4 1 Einführung

Die physikalischen Vorgänge können in mechanische und thermischeProzesse unterteilt werden. Bei mechanischen Prozessen erfolgt die Stoff-umwandlung meist durch Eintrag von mechanischer Energie (Schlag,Druck, Reibung). Bei thermischen Prozessen erfolgt die Stoffumwandlungmeist durch Übertragung von thermischer Energie (Hitze, Kälte). Einthermischer Prozess ist in der Regel mit einem Phasenwechsel mindestenseiner chemischer Komponente verbunden.

physikalischeProzesse

chemischeProzesse

biochemischeProzesse

mechanischeProzesse

thermischeProzesse

chemischeVerfahrenstechnik

Abb. 1.1. Einteilung der chemischen Verfahrenstechnik in technische Prozesse

Statt „Chemische Verfahrenstechnik“ wird manchmal auch der Begriff„Chemie-Ingenieur-Technik“ verwendet. Im Englischen heißen die ent-sprechenden Begriffe „Process Engineering“ bzw. „Chemical Enginee-ring“. Mit Verfahrenstechnik werden allgemein Prozesse beschrieben, beidenen Stoffe und Materialien verarbeitet werden, z.B. auch zur Herstellungvon Fahrzeugen, Haushaltgeräten oder Verpackungen. Um sich auf dieHerstellung chemischer Erzeugnisse zu konzentrieren, ist es wichtig, vonchemischer Verfahrenstechnik oder Chemie-Ingenieur-Technik zu spre-chen. Damit wird die mechanische Materialverarbeitung im weiteren Sinnausgeschlossen.

Bei der chemischen Verfahrenstechnik handelt es sich um eine relativneue, mittlerweile eigenständige Wissenschaftsdisziplin. Bis in die dreißi-ger Jahre des zwanzigsten Jahrhunderts hat man chemische Prozesse ent-sprechend den verwendeten oder erzeugten Stoffe zusammengefasst. Manunterteilte die Prozesse z.B. in solche der Erdölchemie, der Hüttenchemie,der Metallurgie, der Farbstoffchemie, der Agrochemie und der Nahrungs-mittelindustrie. Man erkannte aber bald, dass in all diesen Produktionsvor-gängen ähnliche Verfahrensschritte ablaufen, die ähnliche Apparaturen be-nötigen. So konnten Verfahrensschritte definiert werden, die in ver-schiedenen Produktionsprozessen verwendet werden, aber demselben

1.1 Definitionen 5

Zweck dienten, z.B. der Zerkleinerung der Rohstoffe, der Abtrennung vonFeststoffen aus Flüssigkeiten oder der Wärmeübertragung. Diese universelleinsetzbaren Verfahrensbausteine werden heute Grundoperationen derVerfahrenstechnik genannt (engl. Unit Operations). Aus den Grundopera-tionen lassen sich auf vielfältige Weise ganze Produktionsprozesse aufbau-en. Statt der rund 2'000 Herstellungsverfahren, die Ullmann in den BändenA1-28 beschreibt, kann man mit rund 50 Grundoperationen (Einheitsope-rationen), die in den Bänden B2 und B3 Platz finden, alle möglichen Pro-zesse nachbilden [6]. Die Aufgaben der chemischen Verfahrenstechnik lie-gen heute bei der technischen Vorbereitung (Planung) und der Durch-führung der Stoffumwandlungsprozesse. Dazu gehören die Schritte

1. Theoretische Klärung der Stoffwandlungsvorgänge hinsichtlich Chemie,ausgetauschten Energien und Beständigkeit der Werkstoffe,

2. Entwicklung der Produktionsverfahren durch optimale Kombination vonVerfahrensbausteinen (Grundoperationen),

3. Maßstabsvergrößerung, Planung und Realisierung der Produktions-anlage,

4. Inbetriebnahme, Betrieb, Instandhaltung und Überwachung der Produk-tionsanlage.

Oberstes Ziel aller Bestrebungen ist stets die großtechnische Produktionvon chemischen Erzeugnissen, wobei Wirtschaftlichkeit, Sicherheit, Sozi-alverträglichkeit und Umweltschutz im Vordergrund stehen. Dabei mussman sich im Klaren sein, dass sich die Zielgrößen oft konkurrenzieren odergar diametral gegenüberstehen. Zielgrößen sind z.B.

− minimaler Rohstoffverbrauch,− minimaler Energieverbrauch,− maximale Ausbeute,− maximaler Produktionsausstoß,− Produktion „Just in Time“,− hervorragende Qualität,− bestmögliche Apparateausnutzung,− minimaler Aufwand für Anlagen (z.B. für Reinigung/ Unterhalt),− Modifizierbarkeit der Anlage,− optimaler Personaleinsatz,− minimale Belastung für die Umwelt,− hohe Sicherheit für Personal und Anwohner,− gutes Betriebsklima und daher gute Arbeitsleistungen,− hohe Akzeptanz in der Bevölkerung.

6 1 Einführung

Beim Auftreten von Zielkonflikten müssen Prioritäten festgelegt undKompromisse geschlossen werden, die je nach sozialem Umfeld, Ort undherrschendem Zeitgeist unterschiedlich ausfallen können. Die Verantwor-tung des Chemikers bezüglich Gesellschaft, Wirtschaft und Umwelt habenz.B. verschiedene Fachverbände in Ehrenkodices geregelt.

Um die Rolle der chemischen Verfahrenstechnik in einem konventionellorganisierten Chemiebetrieb kennen zu lernen, sind in Abb. 1.2 die wich-tigsten Funktionen eines Chemiebetriebs dargestellt. Diese Funktionenentsprechen häufig gerade den Abteilungen in einem chemischen Betrieb,d.h. die Abteilungen sind entsprechend den geforderten Funktionen ge-gliedert.

Abb. 1.2. Funktionen und Wechselwirkungen in einem Chemiebetrieb.

Den einzelnen Funktionen kommen folgende Aufgaben zu:

Planung und Marktforschung:− Konkurrenzbeobachtung, Vergleich des eigenen Produkts mit denjeni-

gen von Branchenleadern (Benchmarking), Ableiten von Korrektur-maßnahmen und Verbesserungsmöglichkeiten

− Stärken-Schwächen-Chancen-Gefahren-Analyse (engl. Strength-Weak-ness-Opportunities-Threads = SWOT- Analysis)

− Mittel- und langfristige Planung neuer Produkte, Produktionsplanung,Anlagenplanung, Verkaufsplanung

Forschung:− Herstellung und Synthese neuer Stoffe (Komponentenforschung)− Herstellung neuer Darreichungsformen (Anwendungsforschung)− Erarbeitung neuer Herstell- und Analyseverfahren (Verfahrensfor-

schung)

1.1 Definitionen 7

Patentierung, Registrierung:− Abklärung der Rechtssituation, Verteidigung eigener Rechtsansprüche− Erarbeitung von Registrierunterlagen und Patenten− Zusammenarbeit mit Behörden zur Bewilligung neuer Produkte

Analytik:− Aufklärung der Struktur und Eigenschaften von Stoffen in F&E− Qualitätssicherung in der Produktion− Entwicklung neuer analytischer Methoden

Entwicklung:− Umsetzung der Forschungsergebnisse auf den technischen Maßstab− Verbesserung der Produkteigenschaften (Produktentwicklung)− Optimierung der Produktionsverfahren (Verfahrensentwicklung)

Sicherheit, Umweltschutz:− Einhalten der gesetzlichen Bestimmungen (engl. Legal Compliance)− Erfassung der Umweltbelastungen und der Sicherheitslücken− Realisierung von Maßnahmen zu Gunsten der Gesundheit, der Sicher-

heit und des Umweltschutzes, Mitarbeiterschulung

Einkauf:− Bewertung möglicher Lieferanten und Produkte− Sicherstellung der Rohstoffe und Hilfsmittel zur rechten Zeit am richti-

gen Ort in der korrekten Menge und Qualität zu einem günstigen Preis− Beurteilung der eigenen Produktion im Vergleich mit einem möglichen

Zukauf von Zwischenprodukten, Schaffen von Alternativen

Produktion:− Herstellung der verlangten Menge in der geforderten Qualität zum ge-

wünschten Zeitpunkt− Minimaler Aufwand für Rohstoffe, Energien, Apparate und Personal− Sicherstellung der gesetzlichen Auflagen in Bezug auf Gesundheit,

Sicherheit und Umweltschutz

Verkauf:− Marketing (Verkaufsgebiete, Verkaufsstrategie, Preispolitik, Werbe-

strategie, Messebeteiligung, Kundenbesuche)− Kundenbetreuung, Lieferung der richtigen Menge und Qualität zur rich-

tigen Zeit, Ausmerzen von Beanstandungen− Beratung der Abteilung Planung, Marktforschungen

8 1 Einführung

Lager, Versand:− Laufende Kontrolle des Inventars, geringe Kapitalbindung durch kleine

Lagermengen, Lieferungen „Just in Time“ (JIT)− Sicherstellung der Liefermöglichkeiten, Meldung an den Einkauf oder

die Produktion, falls eine minimale Lagermenge an Rohstoffen bzw.Endprodukten unterschritten wird

− Verpackung der Produkte, Bereitstellung der Versandpapiere, Überwa-chung des Versands

Die soeben beschriebenen Funktionen in einem Chemiebetrieb stelleninsgesamt sicher, dass die chemische Produktion wirtschaftlich, sozial undökologisch verträglich abläuft.

1.2 Fachorganisationen

Im deutschen Sprachraum existieren einige für die Belange der chemischenVerfahrenstechnik bedeutende Fachorganisationen

Europa

− Europäische Föderation für Chemie-Ingenieur-Wesen (EFCE)

Die EFCE koordiniert europaweit die Forschung und Ausbildung aufdem Gebiete der chemischen Verfahrenstechnik. Sie verschafft Kontaktezu den Länderorganisationen und verschiedenen europäischen Forschungs-gruppen. Eines von drei Sekretariaten befindet sich bei der DECHEMA inDeutschland (DECHEMA s. weiter unten).DECHEMA, Theodor-Heuss-Allee 25, D-60486 Frankfurt am Main,Tel. 0049 69 7564-0, Fax 0049 69 7564-201, www.efce.info

− Conseil Européen de l’Industrie Chimique (CEFIC)

Der CEFIC informiert zu aktuellen Themen im Spannungsfeld zwischenchemischer Produktion und Gesellschaft. Er erarbeitet weltweit gültigeRichtlinien für die Mitgliedsunternehmungen der chemischen Industrie.CEFIC, Av. Van Nieuwenhuyse 4, P.O.Box, B-1160 Bruxelles,Tel. 0032 2676 7211, Fax 0032 2676 7300, www.cefic.org

1.2 Fachorganisationen 9

Deutschland

− Deutsche Gesellschaft für Chemisches Apparatewesen, ChemischeTechnik und Biotechnologie e.V. (DECHEMA)

Die DECHEMA verfügt über eine eigene Forschung. Sie publiziert z.B.Tabellenwerke über Stoff- und Materialdaten. Sie führt Ausbildungskursedurch. Die DECHEMA organisiert alle 3 Jahre die Ausstellungstagung fürChemisches Apparatewesen (ACHEMA) in den Messehallen Frankfurt. DieACHEMA ist die weltgrößte Ausstellung für Chemie und Verfahrenstech-nik.DECHEMA, Theodor-Heuss-Allee 25, D-60486 Frankfurt am Main,Tel. 0049 69 7564-0, Fax 0049 69 7564-201, www.dechema.de

− Verein Deutscher Ingenieure (VDI) - Gesellschaft Verfahrenstechnikund Chemieingenieurwesen (GVC)

Die GVC umfasst verschiedene Arbeitsgruppen und Fachausschüsse.Sie publiziert z.B. den VDI Wärmeatlas und die Zeitschrift „Chemie-Ingenieur-Technik„. Sie führt auch Ausbildungskurse durch.VDI-GVC, Graf-Recke-Str.84, Postfach 101139, D-40002 Düsseldorf,Tel. 0049 211 6214-0, Fax 0049 211 6214-169, www.vdi.de

− Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh)

Die GDCh repräsentiert die Interessen deutscher Chemiker aller berufli-chen Ausrichtungen. Sie organisiert Fachtagungen und führt eine Stellen-vermittlungsbörse.GDCh, Varrentrappstr.40-42, Postfach 900440, D-60486 Frankfurt a.M.,Tel. 0049 69 7917-0, Fax 0049 69 7917-374, www.gdch.de

− Verband der Chemischen Industrie (VCI)

Der VCI wirkt als Interessenvertreter der deutschen chemischen Indu-strie inklusive Biochemie und Lebensmitteltechnik. Der VCI koordiniertund unterstützt Ausbildung und Forschung zugunsten der chemischen Pro-duktionsunternehmen und unterhält eine Liste zur Stellenvermittlung.VCI, Karlstr.21, D-60329 Frankfurt a.M.,Tel. 0049 69 2556-0, Fax 0049 69 2556-1471, www.vci.de

10 1 Einführung

Schweiz

− Schweizerische Chemische Gesellschaft (SCG)

Die SCG publiziert chemisch-technische Arbeiten in der Zeitschrift„Chimia“. Sie organisiert alle 2 Jahre die ILMAC in den MUBA HallenBasel.SCG, c/o SANW, Bärenplatz 2, CH-3011 Bern,Tel. 0041 31 310 4090, Fax 0041 31 310 1678, www.swiss-chem-soc.ch

− Schweizerische Akademie der Technischen Wissenschaften (SATW) -Schweizerische Gesellschaft für Verfahrens- und Chemieingenieur-Technik (SGVC)

Die SGVC verfügt über mehrere Arbeitsgruppen im Bereich der Che-mie-Ingenieur-Technik. Sie organisiert Fachtagungen, meist in Basel.SGVC, SATW, Seidengasse 16, Postfach 8023, CH-8001 Zürich,Tel. 0041 1 226 5011, Fax 041 1 226 5020, www.satw.ch

− Schweizerischer Verband diplomierter Chemiker FH (SVC)

Der SVC vereinigt die Interessen der Fachhochschulchemiker in derSchweiz und führt Fachtagungen durch.SVC, Postfach, CH-4007 Basel,Tel. 0041 1 784 2681, Fax 0041 1 728 2992, www.svc.ch

− Schweizerische Gesellschaft für Chemische Industrie (SGCI)

Die SGCI publiziert Richtlinien für die Mitgliedsunternehmungen in derchemischen Industrie. Sie führt Fachtagungen durch.SGCI, Nordstr.15, Postfach, CH-8035 Zürich, Tel. 0041 1 363 1030,Fax 0041 1 363 1018, www.sgci.ch

Österreich

− Gesellschaft Österreichischer Chemiker (GÖCh)

Die GÖCH nimmt sich der Anliegen von österreichischen Chemikernund Chemieingenieuren an. Sie fördert die chemische Ausbildung undführt Fachtagungen durch.GÖCH, Nibelungengasse 11/6, A-1010 Wien, Tel. 0043 1 587 4249,Fax 0043 1 587 8966, www.goech.at

1.3 Maßeinheiten 11

− Fachverband der chemischen Industrie Österreichs (FCIO)

Der FCIO nimmt die Interessen von chemischen Produktions-unternehmen in Österreich gegenüber Behörden, Gewerkschaften und Mit-bürgern wahr.FCIO, Wiedner Hauptstr. 63, A-1045 Wien, Tel. 0043 1 50105-3340,Fax 0043 1 50105-280, www.fcio.at

1.3 Maßeinheiten

Alle derzeit bekannten physikalischen Größen lassen sich auf sieben di-mensionsbehaftete Basiseinheiten zurückführen. Es sind dies die Basis-einheiten Kilogramm, Sekunde, Meter, Ampère, Kelvin, Mol und Candela(s. Tabelle 1.1).

Tabelle 1.1. Dimensionsbehaftete Basisgrößen des SI-Systems

Physikalische Größe Formelzeichen Basiseinheit EinheitszeichenMasse m Kilogramm kgZeit t Sekunde sLänge Meter mel. Stromstärke I Ampère ATemperatur T Kelvin KStoffmenge n Mol molLichtstärke L Candela cd

Zu den Basiseinheiten gehören zudem die dimensionslosen Größen fürdas Bogenmaß bzw. für das Raummaß, der Radiant und der Steradiant(Tabelle 1.2).

Tabelle 1.2. Dimensionslose Basisgrößen des SI-Systems

Physikalische Größe Formelzeichen Basiseinheit EinheitszeichenBogenwinkel α,β,γ,δ Radiant radRaumwinkel ϕ Steradiant sr

Die Größen der Basiseinheiten werden durch die Definitionen desSystème International d’Unités (SI-System) bestimmt. Man bezeichnet siedeshalb auch als SI-Basiseinheiten. Alle Basiseinheiten sind mit Ausnahmederjenigen für das Kilogramm rein physikalisch definiert, sodass sie über-all auf der Welt (sogar im Weltall) reproduziert werden können. Die der-zeit gültigen Definitionen sind der Tabelle 1.3 zu entnehmen.

12 1 Einführung

Tabelle 1.3. Definition der SI-Basiseinheiten

1 Kilogramm ist gleich der Masse des internationalen Kilogramm-Prototyps.(= Masse von 50,183 ⋅1024 12C Isotopen)

1 Sekunde ist das 9'192'631'770fache der Periodendauer der Strahlung, diebeim Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzu-stands des Isotops 133Cs ausgesandt wird.

1 Meter ist die Länge der Strecke, die Licht im Vakuum während der Dauervon (1/299 792 458) Sekunden durchläuft.

1 Ampère ist die Stärke eines elektrischen Stromes, der konstant durch zwei imAbstand von 1 m parallel verlaufende, geradlinige, unendlich lange Leiter mitvernachlässigbar kleinem kreisrunden Querschnitt fließt und dabei eine Kraftpro 1 m Leiterlänge von 2 ⋅10-7 Newton (= 2 ⋅10-7 kg⋅m⋅s-2) zwischen den bei-den Leitern hervorruft.

1 Kelvin ist der 273,16te Teil der thermodynamischen Temperatur am Tripel-punkt von Wasser.

1 Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebenso vielen Einzelteilchenbesteht, wie Atome in 0,012 Kilogramm des Kohlenstoffisotops 12C enthaltensind.

1 Candela ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungs-quelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz 540 ⋅ 1012 Hertz(= 540 ⋅ 1012 s-1) aussendet und deren Strahlstärke in dieser Richtung(1/683) Watt (= 1,464 ⋅10-3 kg⋅m2⋅s-3) pro Steradiant beträgt.

1 Radiant ist gleich dem ebenen Zentrumswinkel eines Kreissektors, sodass derKreissektor bei einem Kreis von 1 m Radius einen Kreisbogen von 1 m Längeausschneidet (s. Abb. 1.3 links).

1 Steradiant ist gleich dem räumlichen Winkel eines Kreiskegels mit Spitze imZentrum einer Kugel, sodass der Kreiskegel bei einer Kugel von 1 m Radiuseine Oberfläche von 1 m2 ausschneidet (s. Abb. 1.3 rechts).

1.3 Maßeinheiten 13

Abb. 1.3. Geometrische Darstellungen von Radiant (links) und Steradiant (rechts)

Alle derzeit gebräuchlichen physikalischen Größen lassen sich aus denBasiseinheiten ableiten. Dabei können möglicherweise sehr kleine odersehr große Zahlenwerte entstehen, die zweckmäßigerweise mit Hilfe vonZehnerpotenzen dargestellt werden. Diese Zehnerpotenzen sollten bei Dar-stellungen von Zahlenwerten z.B. in Tabellen stets gleich groß und wennmöglich ein Vielfaches der Zehnerpotenz hoch drei (103 = 1‘000) sein.

Statt der Angabe als Zehnerpotenz können auch Präfixe zum Einheits-symbol verwendet werden. Die Präfixe werden ohne Zwischenraum direktvor das Einheitszeichen geschrieben. Die Tabelle 1.4 zeigt die Schreibwei-se der Präfixe, wie sie vom Système International d'Unités definiert sind.

Tabelle 1.4. Präfixe zur Darstellung von Zehnerpotenzen gemäß SI-System

Zehnerpotenz Name Präfix10-18 Atto a10-15 Femto f10-12 Piko p10-9 Nano n10-6 Mikro µ10-3 Milli m103 Kilo k106 Mega M109 Giga G1012 Tera T1015 Peta P1018 Exa E

Aus praktischen Gründen besitzen einige physikalische Größen eigeneEinheiten. Diese Einheiten sind aus den SI-Basiseinheiten ableitbar. Dieabgeleiteten physikalischen Größen können als einfache Potenzgleichun-gen der SI-Basiseinheiten dargestellt werden. Die Tabelle 1.5 zeigt die inder chemischen Verfahrenstechnik am häufigsten verwendeten abge-

1m

r =1m

r =1m

A=1m2

radπ2

1rad1sr