Verfahrenstechnik: Definition & Grundlagen Was ist Verfahrenstechnik? – Ein Grundlagenartikel

Die Verfahrenstechnik als Ingenieurwissenschaft hat ihren Zweck in der Umwandlung von Stoffen. Als Vermittlerin zwischen Naturwissenschaft und Produktion ist sie die Grundlage für alle Prozessindustrien. Erfahren Sie im Artikel mehr über die Bedeutung und Geschichte der Verfahrenstechnik.

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Was bedeutet Verfahrenstechnik? Eine Definition gibt die Gesellschaft für Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen: Sie erklärt die Verfahrenstechnik als „technische und wirtschaftliche Durchführung aller Prozesse, in denen Stoffe nach Art, Eigenschaft und Zusammensetzung verändert werden“.

Der Ursprung der Verfahrenstechnik liegt in der Herstellung von Lebensmitteln, Medikamenten, Bekleidung, Werkstoffen und Baustoffen durch Handwerker. Ihr Erfindungsreichtum, ihre Erfahrung und ihr Geschick brachten die Verfahren hervor, auf denen die Verfahrenstechnik aufgebaut ist. Arbeitsgang für Arbeitsgang schufen sie aus Rohstoffen Produkte. Das Ziel der Handwerker war und ist der Verkauf von Bedarfsgütern. Techniker entwickeln Maschinen, die einzelne Arbeitsgänge übernehmen, erleichtern oder beschleunigen. Das Ziel der Techniker ist der Verkauf von Maschinen. Naturwissenschaftler untersuchen die Ursachen, die die Stoffumwandlung bewirken. Ihr Ziel ist das Auffinden allgemeingültiger Naturgesetze.

Handwerker und Techniker liefern Forschungsthemen, nutzen das von den Wissenschaftlern geschaffene Wissen für ihre Arbeit, bestätigen oder verwerfen damit die Forschungsergebnisse in der Praxis und liefern so neue Forschungsthemen. Auf diese Weise entsteht wissenschaftlich- technischer Fortschritt.

Verfahrenstechniker reihen Maschinen und Apparate aneinander und fördern die Stoffe von Maschine zu Maschine. Dadurch entsteht eine Anlage, in der Arbeitsschritt für Arbeitsschritt aus Rohstoffen Produkte werden. Voraussetzung ist, dass für jeden Arbeitsschritt eine Maschine oder ein Apparat existiert, dass Fördertechnik vorhanden ist und dass Energiequellen genutzt werden können, die den Betrieb der Anlage aufrechterhalten. Das prüfende Auge des Handwerkers, der bei jedem Arbeitsgang über das Ergebnis wacht, und seine Sorgfalt, die Unfälle vermeidet, werden durch Mess- Steuer- und Regelungstechnik ersetzt.

Einsatzgebiete und Bereiche der Verfahrenstechnik

Die Einsatzgebiete der Verfahrenstechnik sind die Chemieindustrie, die Lebensmittelindustrie, die Pharmazie und die Papierindustrie sowie Bereiche der Abfallwirtschaft, der Metallurgie, der Textilindustrie und der Baustoffindustrie. Auf der Grundlage der Naturwissenschaften, die die Gesetzmäßigkeiten für die angewendeten Verfahren geliefert haben, lässt sich die Verfahrenstechnik in die Bereiche

• Chemische Verfahrenstechnik,

• Mechanische Verfahrenstechnik,

• Thermische Verfahrenstechnik,

• Elektrochemische Verfahrenstechnik und

• Bioverfahrenstechnik

einteilen. In verfahrenstechnischen Anlagen werden meist Verfahren aus unterschiedlichen Bereichen kombiniert.

Aufgaben der Verfahrenstechnik

Die Aufgabe einer Ingenieurswissenschaft ist es, allgemeingültige Gesetze für das Zusammenwirken von Bauelementen zu finden und Anforderungen an technische Vorrichtungen zusammenzustellen, die konkrete Funktionen erfüllen sollen. Dadurch unterscheidet sie sich von einer Naturwissenschaft, die ihr Ziel mit der Formulierung einer allgemeingültigen Gesetzmäßigkeit erreicht hat.

Das Ziel der Verfahrenstechnik, ihrer Definition entsprechend, ist die Entwicklung von Methoden zur Stoffumwandlung und die Formulierung von Vorgaben für deren technische Umsetzung. Daraus ergeben sich für die Verfahrenstechnik die Aufgaben:

• Planung der Verarbeitungsschritte

• Auswahl oder Entwicklung der benötigten Apparate und Maschinen

• Bestimmung der Methoden für den Stofftransport

• Lösungen zur Energieversorgung

• Festlegung erforderlicher Mess- Steuerungs- und Regelungstechnik

• Vorkehrungen zur Vermeidung von Havarien

• Abfallbehandlung

• Prozessoptimierung

Die Zusammenstellung der Verarbeitungsschritte erfolgt auf der Grundlage der Ergebnisse aus Laborversuchen oder auf Basis vorliegender Erfahrungen aus Industrie und Handwerk. Um diese Ergebnisse und Erfahrungen auf Großanlagen zu übertragen, sind oft Versuche mit Pilotanlagen in einem kleineren Maßstab erforderlich.

In den Apparaten und Maschinen finden die einzelnen Stoffumwandlungen statt. Maschinen unterscheiden sich von Apparaten dadurch, dass Maschinen angetriebene, bewegte Teile enthalten während in Apparaten chemische Reaktionen, biologische Abläufe oder energetische Prozesse ohne Mitwirkung angetriebener Geräteteile vonstattengehen.

Wie der Stofftransport erfolgt, hängt vor allem vom Aggregatzustand des betreffenden Stoffes ab. Gase und Flüssigkeiten können mit Hilfe von Verdichtern und Pumpen durch Rohrleitungen geführt werden, für feste Stoffe kommen zum Beispiel Gebläse, Förderbänder oder Förderschnecken und Zellradschleusen zum Einsatz.

Energie wird für den Antrieb von Maschinen, als Hilfsenergie für Armaturen, für Heizung oder Kühlung und für den Betrieb der Mess- Steuerungs- und Regelungstechnik benötigt. Dabei kommen Elektroenergie, Hydrauliköl, Druckluft und Wärmeträger wie Dampf, Heißwasser oder Kühlwasser zum Einsatz.

Die Mess- Steuerungs- und Regelungstechnik ermöglicht es, den Prozess zu kontrollieren und die Prozessgrößen

• Temperatur,

• Druck,

• Füllstand und

• Durchfluss

einzustellen.

Sicherheitstechnische Einrichtungen zur Vermeidung von Havarien sind vor allem dort erforderlich, wo mit gefährlichen Stoffen oder großen Energiemengen umgegangen wird. Gefährliche Stoffe sind:

• explosionsfähig,

• leicht entzündlich

• brandfördernd

• ätzend, hautreizend

• giftig, gesundheitsschädlich oder

• umweltgefährdend.

Große Energiemengen sind vor allem in Apparaten mit hoher Betriebstemperatur, Druckbehältern und Dampfkesseln gespeichert. Sie können auch durch chemische Reaktionen freigesetzt werden. Fallen im Prozess Abfälle an, in denen gefährliche Stoffe enthalten sind, muss eine umweltverträgliche Entsorgung erfolgen.

Für einen wirtschaftlichen Betrieb von Anlagen hat die Verfahrenstechnik auch Aufgaben zur Prozessoptimierung zu erfüllen. Dazu gehören Energieeinsparung, Nutzung von Abwärme und Rückgewinnung von Rohstoffen aus Abfällen.

Stoffe und Stoffeigenschaften

Hilfreich dafür, allgemeine Verfahren zu finden, mit denen Stoffe nach Art, Eigenschaft und Zusammensetzung verändert werden können, ist die Klärung der Begriffe "Stoff" und "Stoffeigenschaften". Ein Stoff im Sinne der Verfahrenstechnik ist durch chemische und physikalische Eigenschaften bestimmte Materie. Allen Stoffen ist gemeinsam, dass sie eine Masse haben. Es werden Reinstoffe und Stoffgemische unterschieden.

Reinstoffe sind chemische Elemente, die aus Atomen bestehen oder chemische Verbindungen, die aus Molekülen oder Ionen aufgebaut sind.

Stoffgemische können homogen oder heterogen sein. Bei homogenen Stoffgemischen sind die Bestandteile vollständig miteinander vermischt. Das ist zum Beispiel bei Legierungen, Lösungen und Gasgemischen der Fall. Bei heterogenen Gemischen bilden die Bestandteile getrennte Phasen in Form von Tröpfchen, Gasbläschen oder Körnchen, die in Gasen, Flüssigkeiten oder Feststoffen verteilt sind. Dazu gehören:

• Emulsionen (Flüssigkeit in Flüssigkeit),

• Suspensionen (Feststoff in Flüssigkeit),

• Schaum (Gas in Flüssigkeit),

• Hartschaum (Gas in Feststoff)

• Nebel (Flüssigkeit in Gas),

• Rauch (Feststoff in Gas) und

• Gemenge (Feststoff in Feststoff).

Stoffeigenschaften werden in der Chemie und in der Physik definiert. Bei der Bestimmung der chemischen Eigenschaften werden die Stoffe in der Regel in andere Stoffe umgewandelt. Die physikalischen Eigenschaften lassen sich messen, ohne den Stoff dauerhaft zu verändern. Er nimmt nach der Messung wieder seinen ursprünglichen Zustand an. Während die Chemiker Stoffe vor allem durch

• Farbe,

• Geschmack,

• Geruch,

• Löslichkeit,

• Reaktionsfreudigkeit,

• chemische Bindung und

• Zusammensetzung

voneinander unterscheiden, charakterisieren die Physiker die Stoffe unter anderem durch

• Dichte,

• Schmelztemperatur,

• Siedetemperatur,

• Dampfdruck,

• spezifische Wärmekapazität,

• elektrische Leitfähigkeit,

• Wärmeleitfähigkeit,

• Viskosität und

• Brechungsindex.

Verfahren

Verfahren oder Verfahrensschritte, mit denen sich Stoffe nach Art, Eigenschaft und Zusammensetzung verändern lassen, sind hauptsächlich:

• chemische Reaktionen zur Stoffgewinnung,

• Herbeiführen biologischer Abläufe,

• Herstellung galvanischer Beschichtungen,

• Trennen von Stoffgemischen,

• Mischen,

• Zerkleinern und

• Agglomerieren

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Den einzelnen Prozessen liegen natürliche Vorgänge zugrunde, die von Wissenschaftlern der einzelnen Fachrichtungen erforscht und in Form von Naturgesetzen beschrieben wurden. Konkrete Ursachen haben absehbare Wirkungen. Die Vorgänge laufen also stets unter festliegenden Bedingungen ab. Die erforderlichen Bedingungen müssen für die Durchführung eines Verfahrens hergestellt und aufrechterhalten werden. Zu den natürlichen Vorgängen, die in der Verfahrenstechnik genutzt werden, gehören:

• Bildung und Zerfall von Molekülen,

• elektrochemische Abscheidung und Auflösung,

• Stoffwechsel von Mikroorganismen und Pflanzen,

• Verdrängung,

• Diffusion,

• Osmose,

• Verdunstung, Verdampfung,

• Lösen, Absorbieren, Ausscheiden, Fällung

• Adsorbieren,

• Zerbrechen, Mahlen,

• Verklumpen, Verkleben und

• Aufschwimmen, Sedimentbildung.

Diese Vorgänge sind abhängig von:

• den Konzentrationen der beteiligten Stoffe,

• dem Grad ihrer Durchmischung,

• dem herrschenden Druck,

• der Temperatur,

• den strömungstechnischen Parametern und

• den Stoffeigenschaften.

Um die benötigten Bedingungen herzustellen, greift die Verfahrenstechnik auf die Erkenntnisse der Wärmelehre, der Strömungstechnik und der Mechanik zurück. Zur Aufrechterhaltung der Bedingungen wird Mess- und Analysetechnik sowie Steuerungs- und Regelungstechnik benötigt.

Chemische Verfahrenstechnik

Die chemische Verfahrenstechnik beschäftigt sich mit der Umwandlung von Stoffen durch chemische Reaktionen. Dabei sind entweder einzelne Stoffe durch Synthese miteinander zu verbinden oder Stoffe in ihre Bestandteile zu spalten. In diesem Bereich der Verfahrenstechnik wird Chemie technisch umgesetzt.

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Die Vorgänge laufen in Reaktoren ab. Theoretischen Betrachtungen werden die Modellvorstellungen Idealer Rührkessel, Rührkesselkaskade und ideales Strömungsrohr zugrunde gelegt. Im Rührkessel werden die Reaktionspartner durch das Rührwerk solange miteinander vermischt, bis die benötigten Stoffe entstanden sind. Danach wird die Maschine entleert und neu befüllt. Diese Vorgehensweise wird als Chargenbetrieb bezeichnet. Für den kontinuierlichen Betrieb werden mehrere Rührkessel zu einer Kaskade hintereinander geschaltet, sodass laufend Rohstoffe verbraucht und Endprodukte entnommen werden. Im Strömungsrohr vermischen sich die Stoffe durch Verwirbelungen, die entstehen, wenn die Strömungsgeschwindigkeit einen von den Stoffeigenschaften und dem Rohrquerschnitt abhängigen Grenzwert (Reynoldszahl) übersteigt.

Die meisten chemischen Reaktionen verlaufen unter Freisetzung von Wärme (exotherm) oder unter Verbrauch von Wärme (endotherm). Um die optimale Temperatur für die Reaktion beizubehalten, wird eine Kühlung oder eine Heizung eingerichtet.

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Eine in Verfahrenstechnik und Chemie verwendete Größe ist die Aktivierungsenergie. Erst wenn Stoffe eine bestimmte Temperatur haben oder einem bestimmten Druck ausgesetzt sind, beginnen sie miteinander zu reagieren. Einige Stoffe zersetzen sich oder gehen ungewollte Verbindungen miteinander ein, bevor die Aktivierungsenergie erreicht ist. Dann werden Katalysatoren eingesetzt. Unter Anwesenheit eines Katalysators reagieren die Stoffe bei einer niedrigen Aktivierungsenergie (Katalyse). Der Katalysator selbst bleibt dabei unverändert.

Die Geschwindigkeit, mit der Stoffe reagieren, ist ausschlaggebend für die Verweilzeit, die den Reaktionspartnern eingeräumt werden muss. Sie ist vor allem von den Konzentrationen der beteiligten Stoffe, von Druck und Temperatur und vom Reaktionsmechanismus abhängig. Die Ermittlung der Reaktionsgeschwindigkeit ist Gegenstand der Reaktionskinetik und Grundlage für die Dimensionierung von Reaktoren.

Mechanische Verfahrenstechnik

Die Trennung oder Herstellung heterogener Stoffgemische und das Zerkleinern oder Zusammenfügen von Feststoffen sind Aufgaben der mechanischen Verfahrenstechnik.

Die Chemie liefert die benötigten Stoffe oft im Gemisch mit Hilfsstoffen, die für die Herstellung benötigt wurden, oder mit nicht verwendbaren Reaktionsprodukten. Bildet der benötigte Stoff eine eigene Phase, lässt er sich mechanisch aus dem Stoffgemisch abtrennen. In Abhängigkeit von den Aggregatzuständen der Bestandteile des Gemisches kommen dabei Filter, Zentrifugen, Zyklone (Staubabscheider), Separatoren, Abscheider oder Absetzbecken zum Einsatz.

Pflugscharmischer

Schonende Vermischung dank dreidimensionaler Bewegung des Pflugscharmischers

Viele Eigenschaften von Stoffen sind vom Grad ihrer Zerkleinerung abhängig. Werden Produkte in grobkörnigem Zustand oder in Form von Pulver benötigt, können sie gemahlen oder gebrochen werden. Da diese Verfahren immer ein Spektrum unterschiedlicher Korngrößen hervorbringen, schließt sich an das Zerkleinern oft noch ein Sieben oder Sichten an. Beim Sichten bläst ein Luftstrom die leichteren Bestandteile in eine vorgesehene Auffangvorrichtung hinein.

Die vorgesehene Handhabung der fertigen Produkte erfordert mitunter, die Stoffe zu Komprimaten zusammenzufügen. Dazu werden die Komponenten gegebenenfalls miteinander vermischt und bei Bedarf zusammen mit einem Bindemittel in Formen gepresst.

Thermische Verfahrenstechnik

Für die Trennung homogener Stoffgemische werden thermische Verfahren benötigt. Dazu gehören die Destillation, die Mehrfachdestillation (Rektifikation), die Extraktion, die Absorption und die Adsorption. Diese Verfahren werden oft in Füllkörperkolonnen durchgeführt. Die Trennung von Stoffgemischen mit Hilfe von Membranen wird ebenfalls der thermischen Verfahrenstechnik zugeordnet.

Grundlage für die Destillation sind unterschiedliche Dampfdrücke der Bestandteile einer Flüssigkeit. Da im Verhältnis der Dampfdrücke immer auch ein Teil der schwerer siedenden Komponente im Dampf und ein Teil der leichter siedenden Komponente in der Flüssigkeit enthalten ist, reicht die einfache Destillation oft nicht aus, den benötigten Stoff in der erforderlichen Reinheit zu gewinnen. Dann wird die Rektifikation angewendet, bei der Dampf und Flüssigkeit im Gegenstrom miteinander in Kontakt gebracht werden. Der Dampf reichert sich dabei mit der leichter siedenden Komponente an und die Flüssigkeit mit der anderen.

Bei der Extraktion wird die unterschiedliche Löslichkeit von Stoffen in einem Lösemittel ausgenutzt. Das Lösemittel nimmt eine Komponente der Mischung auf. Anschließend werden die Lösung von der Mischung und danach das Lösemittel vom extrahierten Stoff getrennt.

Bei der Absorption lösen sich Bestandteile von Gasmischungen in einem flüssigen Lösemittel. Dieses Verfahren wird zum Beispiel zur Gaswäsche eingesetzt.

Die Adsorption ist die Anlagerung von Bestandteilen aus Flüssigkeiten oder Gasen an die Oberfläche eines Feststoffes. Dadurch werden Stoffe gezielt aus Flüssigkeiten oder Gasen entfernt. Das Ziel ist entweder die Gewinnung des angelagerten Stoffes oder die Reinigung des Stoffgemisches.

Elektrochemische Verfahrenstechnik

Die meisten Salze bestehen aus elektrisch positiv geladenen Metallionen und elektrisch negativ geladenen Säurerest Ionen. Im elektrischen Feld bewegen sich die Ionen in Richtung der entgegengesetzt geladenen Elektroden. Wird ein geschlossener Stromkreis hergestellt, wandern die negativen Anionen zur positiven Anode und geben dort Elektronen ab. Es erfolgt also eine Oxidation. Die positiven Kationen wandern zur negativen Katode und nehmen dort Elektronen auf. Der Vorgang wird als Reduktion bezeichnet und führt dazu, dass sich Metalle an der Katode abscheiden. Auf diese Weise werden elektrisch leitfähige Oberflächen von Werkstücken mit Metallen beschichtet. Der entgegengesetzte Vorgang wird in Batterien zur Erzeugung elektrischer Spannungen mit dem Ziel der Energiespeicherung angewendet.

Bioverfahrenstechnik

Die Bioverfahrenstechnik nutzt Stoffwechselvorgänge von Mikroorganismen und Pflanzen zur Stoffumwandlung. Die ablaufenden Vorgänge werden unter dem Begriff Fermentation zusammengefasst. Dabei werden hauptsächlich der Stoffwechsel von Hefepilzen, Bakterien und Algen und die Wirkung von Enzymen genutzt. Enzyme sind biologisch entstehende Wirkstoffe, die den Stoffwechsel unterstützen.

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Das sind die Top 10 der besten Chemiefakultäten weltweit

In der Lebensmittelindustrie wird in großem Umfang die Gärung angewendet. Dabei wandeln Mikroorganismen Zucker in Alkohol und Kohlendioxyd um. Bei Zufuhr von Luftsauerstoff entstehen Säuren wie Essig oder Milchsäure. Durch diese Stoffe werden die Lebensmittel haltbar. Sauerteig für Brot entsteht ebenfalls durch Gärung. Das bei der Vermehrung der Hefe entstehende Kohlendioxid bewirkt die Hohlräume im Gebäck.

Stoffwechselprodukte von Schimmelpilzen und anderen Mikroorganismen sind der Ausgangsstoff für verschiedene Medikamente. Das bekannteste ist das Penicillin.

In Biogasanlagen leben Bakterien, die sich von organischen Stoffen ernähren und Methan ausscheiden. Algen wandeln bei der Photosynthese unter Einwirkung von Licht Kohlendioxid in Sauerstoff und Zucker um.

Bestimmte Bakterien werden für die Abfallbehandlung gezüchtet. Sie sollen sich von Schadstoffen ernähren und sind vor allem in Klärwerken aktiv.

Beim Einsatz lebender Organismen in Bioreaktoren sind die Nährstoffzufuhr, die Betriebstemperatur, der pH-Wert und Luftzufuhr beziehungsweise Luftabschluss in den Toleranzgrenzen der jeweiligen Art zu halten. Andernfalls gehen die Kulturen ein.

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