Verfahrenstechnik und Ingenieurwissenschaft
Laut Definition der Gesellschaft für Verfahrenstechnik und
Chemieingenieurwesen (GVC) beschäftigt sich die
Verfahrenstechnik mit der technischen und wirtschaftlichen Durchführung aller Prozesse, in denen
Stoffe nach Art, Eigenschaft und Zusammensetzung verändert werden. Es handelt sich um die
Ingenieurwissenschaft der Stoffumwandlung. Die Realisierung der im verfahrenstechnischen Ingenieurprozess entwickelten und geplanten Anlage wird als
Anlagenbau bezeichnet.
Arbeitsmittel und Gliederung der Verfahrenstechnik
Die Verfahrenstechnik hat sich von ihren Anfängen im Rohrleitungs- und Kesselbau hin zu einer interdisziplinären Wissenschaft entwickelt. Heute werden für die Auslegung der Prozesse neben
- den Natur- und Materialwissenschaften für die Beschreibung des Prozesses und seiner stofflichen Auswirkungen, auch
- die Wirtschafts-, Sozial-, Politik-, und Rechtswissenschaften für die Akzeptanz, die Rahmenbedingungen und den Betrieb des Prozesses
benötigt. Weiterhin wird für die Umsetzung des Prozesses im Anlagenbau auf alle anderen Ingenieurswissenschaften zurückgegriffen.
Verfahrenstechnische Anlagen produzieren zwischen wenigen Gramm und mehreren hunderttausend Tonnen pro Jahr. Produziert werden einfache chemische Substanzen bis hin zu komplizierten Bauteilen. Um die Fülle an Prozessen beschreiben zu können, werden sie in physikalische nicht mehr sinnvoll trennbare Grundoperationen (en: unit operations) mit nur einem physikalischen Vorgang, wie mischen oder verdampfen, zerteilt. Verfahrensschritte die eine räumlich untrennbare Kombination mehrerer Grundoperationen sind werden meist auch als Grundoperationen bezeichnet. Klassen von verfahrenstechnischen Grundoperationen sind zum Beispiel:
Diese Grundoperationen werden aneinandergereiht und ergeben den Gesamtprozess. Ein derart gestalteter Prozess ist berechenbar und betreibbar, aber nicht energie- und platzoptimiert. Der Kostendruck in der Industrie und die besseren Simulations- und Analysemöglichkeiten sowie das bessere physikalische Verständnis führen dazu, dass immer mehr Grundoperationen heute in einem Prozessschritt kombiniert werden. Für das Verständnis des Gesamtzusammenhangs ist eine Betrachtung des Prozesses in getrennten physikalischen Grundschritten jedoch sinnvoll. Die Verfahrenstechnik gliedert sich daher immer noch
- entlang der physikalischen Vorgänge der Grundoperationen in
- mechanische Verfahrenstechnik,
- chemische Verfahrenstechnik,
- thermische Verfahrenstechnik und
- den sonstigen Verfahren die meist als physikalische Verfahren der chemischen Verfahrenstechik zugeschlagen werden,
- der nicht überschaubaren Anzahl von nicht trennbaren Verfahren wie
- biologische Verfahrenstechnik,
- Grenzflächenverfahrenstechnik und
- Membranverfahrenstechnik und
- den benötigten Hilf-, Umsetzungs- und Spezialdisziplinen, wie
- Leit- und Steuertechnik,
- Anlagenbau und
- kerntechnische Verfahrenstechnik.
Eine andere, ältere Gliederung geht von den Stoffgruppen aus: Lebensmittelverfahrenstechnik, Kunststoffverfahrenstechnik, Aufbereitungstechnik usw. In der Pharmazie vertritt die
Galenik die Verfahrenstechnik.
Abgrenzung zu anderen Wissenschaften
Grundsätzlich gilt: jede Prozessentwicklung, bei der ein Stoffstrom betroffen ist, beinhaltet Verfahrenstechnik. Sie ist daher ein meist nicht genannter Bestandteil jeder Wissenschaft. Die Verfahrenstechnik betont das Verfahren an sich und versucht es mit den gegebenen Randbedingungen zu optimieren. In anderen Disziplinen wird meist von einem gegebenen Prozess ausgegangen, da der Schwerpunkt auf anderen Aspekten liegt.
Die Verfahrenstechnik beschäftigt sich mit dem gleichen Gegenstand wie die Naturwissenschaften und benutzt ihre Werkzeuge. Im Gegensatz zur Naturwissenschaft versucht die Verfahrenstechnik jedoch nicht einen neuen Zusammenhang offenzulegen sondern einen erkannten Zusammenhang technisch nutzbar zu machen. Hierbei entstehende neue Fragen führen meist zu einer engen Kooperation mit den Naturwissenschaften bei der Auslegung neuer Prozesse.
Verfahrenstechniker benutzen die Werkzeuge der Ingenieurswissenschaften. Sie legen den Raum und die Bedingungen fest, unter denen ein Prozess abläuft. Für die eigentliche Maschine ist der Maschinenbauer oder Bauingenieur zuständig. Sie werden vom Verfahrenstechniker beauftragt. Die Verfahrenstechnik kann mit der Fertigungstechnik (Formänderung) und der Energietechnik (Energieumwandlung) auch als ein Teil der Produktionstechnik angesehen werden und ist daher Teil des Maschinenbaus.
Das Chemieingenieurwesen ist eine Disziplin der Verfahrenstechnik, welche einen Schwerpunkt auf die Chemie legt. Die Umwelttechnik legt den Schwerpunkt hingegen auf rechtliche, toxikologische, und logistische Aspekte der Ver- und Entsorgung.
Teildisziplinen
Mechanische Verfahrenstechnik
Die
mechanische Verfahrenstechnik versteht sich als Anwender der Mechanik bzw. der Strömungsmechanik. Sie beschäftigt sich daher mit
Stoffwandlungsprozessen, die auf
mechanischer Einwirkung beruhen. Die vier Prozesshauptgruppen sind
Zerkleinern und
Agglomerieren sowie
Mischen und
Trennen (Filter, Siebe).
Historisch liegen ihre Wurzeln im Rohrleitungsbau und in der Feststoffverfahrenstechnik. Traditionell werden daher meist auch Lagern, Fördern und Dosieren von Feststoffen, Schüttgütern und flüssigen Gütern (z.B. Förderung durch Pumpen) der mechanischen Verfahrenstechnik zugeschlagen.
Thermische Verfahrenstechnik
auf dem Rhein]]
Die thermische Verfahrenstechnik versteht sich als angewandte Thermodynamik. Der wichtigste Prozess ist daher die
Destillation sowie die mit den gleichen Methoden beschreibbaren Prozesse
Extraktion und
Absorption.
Da es sich bei der von der thermischen Verfahrenstechnik vertretenden Thermodynamik um ein überall benötigtes Werkzeug handelt, werden außer der Ermittlung von thermodynamischen Stoffdaten alle aus ihr erwachsenen Prozesse meist nicht mehr zu der thermischen Verfahrenstechnik gezählt. Im Einzelfall entscheidet die historische Entwicklung vor Ort.
Chemische Verfahrenstechnik
Die
chemische Verfahrenstechnik (Reaktionstechnik) beschäftigt sich mit Stoffwandlungen durch
chemische Reaktionen und bildet das stärkste Bindeglied der Verfahrenstechnik zur Chemie. Insbesondere wird der Übergang vom Labormaßstab der Chemie zum technischen Maßstab untersucht. Das beinhaltet beispielsweise die Errichtung von Pilotanlagen und die Untersuchung von Kinetiken. Der Chemieingenieur leistet somit maßgebliche Arbeit bei der Umsetzung von Laborergebnissen im Produktionsprozess.
Bioverfahrenstechnik
Die Bioverfahrenstechnik beschäftigt sich mit Stoffwandlungen durch biologische Prozesse, wie Gärung.
Ein wichtiges, neues Teilgebiet ist die 'Weiße Biotechnologie'. Hierbei ersetzen enzymenatische Produktionsverfahren chemische Verfahren mit klassischen Katalysator. Die Enzyme werden als extrahierte Enzyme oder aber auch als lebende Zellen verwendet. Biotechnologische Prozesse zeichnen sich durch Prozessbedingungen bei niedrigen Temperaturen (20-50°C) und Umgebungsdruck sowie einer geringen Reaktionsgeschwindigkeit aber einer sehr hohen Selektivität aus. Bei industriellen Prozessen für gebräuchliche Komponenten sind daher Reaktoren von manchmal mehr als 1000m³ nötig. Für viele Prozesse der chemischen Industrie sind noch keine biotechnologischen Verfahren bekannt oder die bekannten besitzen eine zu langsame Kinetik, sodass auf klassisch chemische Prozesse zurückgegriffen wird. Neue und verbesserte Prozesse führen zu einem verstärkten Einsatz in der Papier-, Chemie- und Pharmaindustrie sowie im Lebensmittel-, Kosmetik-, und Textilbereich.
Dem gegenüber steht die 'Rote Biotechnologie'. Sie beinhaltet alle biologischen Herstellungsprozesse zu denen es keine klassisch chemischen Alternativprozesse gibt. Rot steht hierbei für Blut und deutet die Ausrichtung auf den medizinisch-pharmazeutischen Sektor an.
Klassische biologische Prozesse wie die biologische Klärstufe im Klärwerk, die Erzeugung von Biogas oder die Vergärung von Bier und Wein werden meist nicht als Biotechnologie wahrgenommen und weder als weiße, noch als rote Biothechnologie bezeichtet.
Nanotechnik
Bild der Oberfläche eines Ferrofluids im magnetischen Feld
Die
Nanotechnik oder
Nanotechnologie ist ein noch junges Gebiet welches sehr
interdisziplinär Gebiete aus der
Physik, der
Chemie, der
Biologie und der Verfahrenstechnik vereint. Es beschäftigt sich mit Stoffen und Systemen, deren Größe unter Umständen nur aus wenigen Molekülen bestehen. Für die Verfahrenstechnik ist die Nanopartikeltechnik von besonderer Bedeutung. Aufgrund der kleinen geometrischen Ausdehnung von Nanopartikeln besitzen sie spezielle optische und elektronische Eigenschaften, welche besondere Messverfahren erforderlich machen, jedoch auch zu neuen Anwendungen führen können.
Literatur
- Eckhart Blaß: VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen GVC - gestern-heute-morgen, K. G. Saur, 1984
- Horst Chmiel (Hrsg.): Bioprozesstechnik, 2. Aufl., Spektrum Akademischer Verlag, 2005, ISBN 3-8274-1607-8
- Peter Grassmann: Physikalische Grundlagen der Chemie-Ingenieur-Technik, Otto Salle Verlag, Frankfurt (M), 1986
- Burkard Lotz: Der Begriff 'schlüsselfertig' im Anlagenbau, BB, 1996, 544ff
- Burkard Lotz: Der Konsortialvertrag des Anlagenbaus im In- Und Ausland, ZfBR, 1996, 233ff
- Burkard Lotz: Haftungsbeschränkungen in Anlagenverträgen, ZfBR, 2003, 424ff
- Hirschberg, Hans Günther: Handbuch Verfahrenstechnik und Anlagenbau - Chemie, Technik, Wirtschaftlichkeit, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1999, ISBN 3-540-60623-8
Weblinks
Zeitschriften
- 'VERFAHRENSTECHNIK' - Zeitschrift für Planung, Bau und Betrieb von Apparaten und Anlagen, Vereinigte Fachverlage GmbH, Mainz
- 'Chemie Ingenieur Technik' - Verfahrenstechnik Technische Chemie Apparatewesen Biotechnologie, Herausgeber: DECHEMA, GDCh, VDIGVC, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KG, Weinheim, ISSN 0009-286X
Siehe auch
Dispersitätsanalyse
Chemieingenieurwesen
Partikelmesstechnik
Blasensäule
Génie des procédés
)
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