Rohstoffe, Energieträger und chemische Verfahrenstechnik

Punkt 11: Natürliche Ressourcen

Zu den natürlichen Ressourcen zählen Wasser, Luft, Mineralien und Gesteine sowie Öl, Erdgas, Holz und landwirtschaftliche Produkte. In der Fertigung (Manufacturing) spielen Säuren und Basen eine wichtige Rolle. Die Bedingungen für Rohstoffe sind Langlebigkeit, leichte Zugänglichkeit und Abundanz (Reichhaltigkeit).

Klassifizierung nach Haltbarkeit

• Unerschöpfliche Ressourcen: Luft (Trennung von Komponenten durch Destillation, Stickstoff-Kombination, Ozon-Erzeugung durch elektrische Entladungen) und Wasser (Entsalzung zu Trinkwasser, Rückgewinnung von Mineralien).
• Nicht erneuerbare Ressourcen: Öl (aufgeteilt in Fraktionen wie Benzin, Leichtöl, Mittelöl, Kerosin, Gasöl, schwerer Asphalt oder Brennstoffe), Erdgas (Gasgemisch aus Kohlenwasserstoffen, Synthesegas) und Mineralien.
• Erneuerbare Ressourcen: Produkte pflanzlichen oder tierischen Ursprungs.

Beispiele für Minerale sind Bauxit (Aluminium), Korund, Pyrit, Magnetit, Hämatit (Eisen) sowie Natrium-Aluminium-Silikat (Albit).

Kohlenstoff und fossile Brennstoffe

Kohlenstoff: Organische, langsam zersetzte pflanzliche Stoffe, die unter hohem Druck und hoher Temperatur tief begraben wurden.

Typen von Kohle:

• Torf: Niedrige Energiedichte.
• Braunkohle: Hoher Prozentsatz an flüchtigen Bestandteilen.
• Steinkohle: Zur Herstellung von Koks für die Stahlindustrie.
• Anthrazit: Höchster Kohlenstoffgehalt, brennt leichter.

Anwendungen: Gewinnung von Kohlenmonoxid, Synthesegas oder Generatorgas.

Energiequellen und Umwelt

Nicht erneuerbare Energien

Fossile Brennstoffe wie Kohle, Öl und Erdgas setzen bei der Verbrennung große Mengen an Energie frei, erzeugen jedoch auch erhebliche Mengen an festen Abfällen und sind in hohem Maße umweltschädlich.

Erneuerbare Energien

Alternative Energien sind saubere Energiequellen, die meist direkt oder indirekt aus Solarenergie gewonnen werden. Dazu gehören: Wind-, Solar- und Meeresenergie, Biomasse sowie Brennstoffzellen. Elektrische Energie wird zudem aus Wasserkraftwerken (hydroelektrisch) oder thermischen Kraftwerken (Kohleverbrennung) gewonnen.

Umweltprobleme

Zu den zentralen Herausforderungen gehören der Treibhauseffekt, saurer Regen, der Abbau der Ozonschicht sowie die Verschmutzung von Luft, Wasser und Boden, was zum Klimawandel führt.

Depuration und Kompostierung

Reinigung gasförmiger Stoffe

Es gibt zwei Gruppen: Die Umwandlung chemischer Schadstoffe in sichere Formen oder die Abtrennung der Schadstoffe aus dem Gasstrom.

Kompostierung

Ein natürlicher Prozess, der das Volumen, das Gewicht und die Reaktivität biologisch abbaubarer Abfälle verringert. Das Ergebnis ist ein stabiler, organischer und hygienisierter Anteil: der Kompost.

Kompostierbare Materialien:

• Organische Fraktion fester Siedlungsabfälle.
• Gartenabfälle (Schnittgut und Mähabfälle).
• Klärschlamm, landwirtschaftliche Abfälle und Rückstände aus der Tierhaltung.
• Agroindustrielle Abfälle und forstwirtschaftliche Rückstände.

Artikel 13: Stoffbilanzen

Das Gleichgewicht kann auf zwei Ebenen betrachtet werden:

• Makroskopisch: Bestimmung von Werten wie Geschwindigkeit, Temperatur oder Konzentration über den Umfang (nicht-differenzielle Gleichungen).
• Mikroskopisch: Messung und Berechnung von Geschwindigkeits- oder Konzentrationswerten mittels differenzieller Gleichungen.

Bilanz-Schema

(Input pro Zeiteinheit) - (Output pro Zeiteinheit) + (Generierung pro Zeiteinheit) = (Akkumulation pro Zeiteinheit)

• Batch-Betrieb: Input = 0, Output = 0.
• Stationärer Zustand (R.estacionario): Akkumulation = 0.
• Instationärer Zustand (R.no estac.): Akkumulation ≠ 0.
• Chemische Reaktion: Generierung ≠ 0 (bei keiner Reaktion = 0).

Artikel 12: Chemische Prozesse

Die Konzentration in einem Prozess ist eine Funktion von Dichte, Temperatur und Geschwindigkeit.

Betriebsregime

• Stationär: Die Konzentration variiert nicht mit der Zeit.
• Instationär: Die Konzentration ändert sich über die Zeit.

Betriebsarten

Im Dauerbetrieb (kontinuierlich) erfolgen die Zufuhr und Entnahme ohne Unterbrechungen. Vorteile sind: Skaleneffekte (Economy of Scale), leichtere Wärmerückgewinnung, verringerter Arbeitsaufwand, Eliminierung von Be- und Entladezeiten sowie eine größere Gleichmäßigkeit des Produkts.

Typen des Produktionsablaufs:

• Kontinuierlicher Betrieb mit Parallelfluss.
• Gegenstromfluss (kontinuierlich oder differenziell).
• Kreuzstromfluss.
• Intermittierender Gegenstromkontakt.

Verfahrenstechnische Grundoperationen

Transport und mechanische Operationen

• Pumpen, Mahlen, Sieben (Trennung nach Partikelgröße).
• Wärmeaustausch.
• Chemische Reaktionen: Elektrochemie, Verbrennung, Depolymerisation, Ausfällung.

Trennoperationen

• Destillation, Absorption, Verdunstung, Extraktion, Adsorption.

Spezifische Stofftransport-Operationen

• Absorption: Trennung von Gasgemischen durch Lösen in einer Flüssigkeit.
• Adsorption: Trennung von Komponenten aus Gasen oder Flüssigkeiten durch Bindung an einen Feststoff.
• Umkehrosmose: Konzentrierung von Elektrolyten durch Druck.
• Rektifikation: Trennung flüssiger Gemische durch Verdampfung und Kondensation.
• Flüssig-Flüssig-Extraktion: Trennung von Komponenten mittels eines Lösungsmittels (z. B. Ethanol/Wasser-Gemisch).
• Fest-Flüssig-Extraktion: Extraktion eines Stoffes aus einem Festkörper.
• Ionenaustausch: Chemische Reaktion zwischen Ionen einer Lösung und einem festen Harz.

Impulstransport und mechanische Trennung

• Rühren und Mischen, Pumpen, Filtration.
• Flotation: Trennung von Feststoffen aus wässrigen Strömen (3 Phasen).
• Sedimentation: Absetzen von Feststoffen am Boden einer Flüssigkeit.

Kombinierter Stoff- und Wärmetransport

• Gefriertrocknung (Lyophilisation): Dehydrierung durch Vakuumsublimation.
• Befeuchtung: Kontaktierung einer Flüssigkeit mit einem reinen Gas.

Phasenkriterien

• Einphasig: Sieben, Mahlen, Pumpen, Rühren.
• Biphasisch: Absorption, Adsorption, Verdampfung (kontrolliert durch Wärmeübertragung zur Konzentrierung einer Lösung), Filtration, Sedimentation, Extraktion.
• Dreiphasig: Flotation.