TC_Schmidt_Kap3

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Author:
Loenne
ID:
23460
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TC_Schmidt_Kap3
Updated:
2010-07-04 18:40:08
Tags:
TC Technische Chemie HS Mannheim VB CM Prof Schmidt Kapitel3 Rohstoffe
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Kapitel 3: Rohstoffe für die chemische Industrie
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  1. Was ist definitionsgemäß der Unterschied zwischen einem Rohstoff und einem Einsatzstoff?
    Der Rohstoff kommt genauso in der Natur vor. Der Einsatzstoff hingegen nicht, er dient als Grundstoff für chemische Prozesse.
  2. Nennen Sie 2 Möglichkeiten, Rohstoffe grob zu unterteilen.
    • fossile Rohstoffe / erneuerbare Rohstoffe
    • anorganische Rohstoffe / organische Rohstoffe
  3. Nennen Sie Beispiele für fossile, erneuerbare, anorganische und organische Rohstoffe.
    • fossil: Erze, Erdöl, Erdgas, Kohle
    • erneuerbar: Wasser, Luft, Biomasse
    • anorganisch: Erze, Mineralien, Wasserstoff (H2), Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO), Edelgase, Luft, Stickstoff (N2)
    • organisch: Erdgas, Erdöl, Kohle, Pflanzen (Holz, Cellulose, Zucker, Fette, Öle), Tiere (Proteine, Collagen)
  4. Nennen Sie 3 Grundsätze für den Umgang und die Nachhaltigkeit mit Rohstoffen
    • Die Nutzungsrate von erneuerbaren Rohstoffen sollte deren Regenerationsrate nicht übersteigen
    • Die Nutzungsrate sich erschöpfender Rohstoffe darf die Rate des Aufbaus sich regenerierender Rohstoffquellen nicht übersteigen
    • Die Rate der Schadstoffemissionen darf die Kapazität zur Schadstoffabsorption der Umwelt nicht übersteigen
  5. Was sind die Aufgaben der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe?
    • Beratung der Bundesregierung
    • Beratung der deutschen Wirtschaft
    • Technische Zusammenarbeit mit Entwicklungsländern
    • Geowissenschaftliche Forschung und Entwicklung
    • Beschäftigung mit den Kernthemen: Energierohstoffe, mineralische Rohstoffe, Grundwasser, Boden
  6. Was ist der Unterschied zwischen Ressourcen und Reserven?
    • Reserven: sind mit aktueller Technik wirtschaftlich gewinnbare Rohstoffe
    • Ressourcen: sind derzeit wirtschaftlich nicht gewinnbar, jedoch nachgewiesen (bekannt) bzw. aufgrund geologischer Befunde vermutet (unbekannt)
  7. Wie ist die Reichweite eines Rohstoffes definiert und was bedeutet der Zusatz "statistisch"?
    • Reichweite = Reserve / Jahresproduktion
    • bei der statistischen Reichweite wird angenommen, dass die Jahresproduktion konstant bleibt.
  8. Was besagt die Glockenkurve von Hubbert? Wie sieht sie aus?
    Sie besagt, dass das Fördermaximum von Erdöl am Gipfelpunkt (dmp = depletion mid-point) zu der Zeit ist, nach dem die Hälfte des förderbaren Öls einer Quelle gefördert wurde. (aufgestellt: 1956)

  9. Wie lautet die Definition von Erz?
    Erze sind Mineralien, die aufgrund ihres hohen Metallgehaltes bergmännisch abgebaut werden.
  10. Welche Rohstoffe kommen in Erzen vor?
    vorwiegend Metalle, aber auch Salze und Phosphat
  11. Nennen Sie einige Erze mit dem zugehörigen Rohstoff.
    • Name des Erzes: Metall | Summenformel
    • Bauxit: Aluminum | Al(OH)3
    • Chromit: Chrom | (Fe, Mg)Cr2O4
    • Galenit: Blei | PbS
    • Hämatit: Eisen | Fe2O3
    • Ilmenit: Eisen / Titan | FeTiO3
    • Magnetit: Eisen | Fe3O4
    • Zinkblende: Zink | SnS
    • Zinnober: Quecksilber | HgS
    • Chalkosin: Kupfer | Cu2S
  12. Wie sieht die Prozesskette bei der Erzaufarbeitung aus? Ist diese für alle Erze gleich?
  13. Was versteht man unter Flotation?
    Flotation ist ein Aufarbeitungsschritt bei sulfidischen Erzen zur Trennung des Minerals von der Gangart. Durch Zugabe von Tensiden in eine feinkörnige Suspension von Erzpartikeln in Wasser wird das Aufschwimmen mit Luftblasen begünstigt. Zusätzlich sind noch diverse Hilfsstoffe enthalten.
  14. Welche Hilfsstoffe kommen bei der Flotation zum Einsatz?
    • Schäumer: Stabilisieren der Lusftblasen
    • Sammler: Tenside, Partikel werden hydrophob
    • Regler: pH-Regulatoren, Flockungsmittel
    • Drücker: verbessern die Benetzbarkeit der Erze, verstärken Absinken
  15. Was versteht man unter "Rösten"?
    Rösten ist die Verbrennung sulfidischer Erze zur Aufbereitung

    • ZnS + 1,5 O2 → ZnO + SO2
    • PbS + 1,5 O2 → PbO + SO2
    • CuS + 1,5 O2 → CuO + SO2
    • 2 FeS2 + 5,5 O2 → Fe2O3 + SO2

    An den Reaktionsgleichungen ist zu sehen, dass bei der Reaktion SO2 entsteht. Dieser Wertstoff wird aus den Röstgasen entfernt und der Schwefelsäureproduktion zugeführt (Koppelproduktion).
  16. Wie kann man Luft in seine (Haupt-)Bestandteile zerlegen? Welche Fraktionen fallen dabei an?
    • Mit dem Linde-Verfharen
    • Verdichtete Luft wird im Gegenstromverfahren vorgekühlt und wieder entspannt, so dass die einzelnen Bestandteile bei erhähtem Druck flüssig vorliegen. In einer Rektifikationskolonne werden 3 Fraktionen abgetrennt: Stickstoff (N2), Sauerstoff (O2) und Restgas.
  17. Welche Produkte entstehen bei der Luftzerlegung?
    • Stickstoff
    • Sauerstoff
    • Argon
    • Edelgase (Ne, Kr, Xe)
  18. Für was wird Wasser in der chemischen Industrie verwendet, woher kommt es und was sind die Anforderungen (Parameter)?
    • Verwendung:
    • - Kühlwasser
    • - Herstellung von Dampf (Heizen)
    • - chemische Reaktion

    • Herkunft:
    • - Brunnen
    • - Oberflächenwasser
    • - Regenwasser

    • Anforderungen:
    • - ionische Leifähigkeit
    • - pH-Wert
    • - Härte
    • - TOC (total organic carbon = gesamter organischer Kohlenstoff)
    • - Glührückstand
  19. Organische Rohstoffe lassen sich in konventionelle und nicht konventionelle untergliedern. Was bedeutet das?
    • konventionell: Erdöl, Erdgas, Kohle
    • nicht konventionell: Schwerstöle, Bitumen, Ölsande / -schiefer, Gashydrate, Biogas
  20. Nennen Sie Lagerstätten für flüssige Kohlenwasserstoffe.
    • Erdöl
    • Schwerstöle
    • Ölsande
    • Ölschiefer
  21. Wie entsteht Erdöl?
    • Pflanzliche und tierische Organismen sedimentierten vor ca. 570 Mio Jahren auf den Meeresboden. Dort wurden sie durch anaerobe Bakterien unter hohem Druck in Erdöl umgewandelt.
  22. Wie ist die grobe elementare Zusammensetzung von Erdöl (in Gew.-%)?
    • Kohlenstoff 85-90
    • Wasserstoff 10-14
    • Sauerstoff 0-2
    • Stickstoff 0,1-2
    • Schwefel 0,1-7
    • Metalle (V, Ni, Na) Spuren (ppm)
    • Ölsande können mehr V enthalten
  23. Welche Förderungstechnologien für Erdöl sind Ihnen bekannt?
    • direkte Förderung durch Bohrturm
    • Förderung durch Wasserfluten
    • Tensid-Polymer-Fluten
    • Wasseraufbereitung aus dem Golf von Mexiko ;-)
  24. Wie funktioniert die Tensid-Polymer-Flutung?
    Durch diskontinuierliches Einspritzen einer Tensidlösung in die Lagerstätte bildet sich eine Wasser-Öl-Emulsion (Mikroemulsion), welche durch Zugabe eines Polymers herausgeflutet wird.
  25. Was ist die Grundaufgabe einer Raffinerie?
    • Eine Raffinerie dient der destillativen Aufarbeitung von Erdöl und der chemischen Weiterverarbeitung.
    • Man unterscheidet zwischen:
    • Kraftstoffraffinerie:
    • produziert Kraftstoffe für Antriebe, Brennstoffe zum Heizen
    • Dies sind Stoffgemische mit definierten Eigenschaften (Heizwert/Brennwert, Dampfdruck (Sommer/Winter), Viskosität, Oktanzahl)

    • petrochemische Raffinerie:
    • produziert Grundchemikalien für die chemische Industrie
    • Dies sind reine chemische Stoffe mit einer definierten Struktur/Funktionalität, die als Bausteine für Chemikalien dienen
  26. Welche beiden Prozessschritte kann man (ganz allgemein) bei Raffinerien unterscheiden?
    • 1. Destillationsbereich
    • 2. Veredelungsschritte
    • der 1. Schritt ist bei allen beiden Raffinerietypen gleich, sie unterscheiden sich nur durch den 2. Schritt
  27. Was passiert bei der Erdöldestillation? Geben Sie typische Eigenschaften der Kolonne an.


    • Kolonnenhöhe: bis 60 m
    • Bödenzahl: 40-80 (25-60 theoretische Stufen)
    • Tageskapazität: 20000 - 30000 t Rohöl
    • Druck: 1013 mbar (Atmosphärendruck)
  28. Was ist Naphtha?
    Naphtha ist die technische Bezeichnung für Rohbenzin. Genauso wie bei den Benzinen spricht man auch beim Naphtha von leichtem und schwerem Naphtha, angelehnt an den Siedepunkt.
  29. Was bedeutet "Cracken", wozu wird es durchgeführt und welche Verfahren kennen Sie?
    • Unter Cracken versteht man die Umwandlung langettiger Alkane in kürzer kettige Alkane und Alkene (Olefine).
    • Die kurzkettigen Kohlenwasserstoffe sind sowohl für die Energie- als auch den Chemiebereich interessanter in der Anwendung.
    • Verfahren:
    • - Thermisches Cracken (Visbreaking, Fluid-Coking)
    • - katalytisches Cracken (Fluid-Catalytic Cracking (FCC), Hydrocracking)


    • R1-CH2-CH2-CH2-CH2-R2 → R1-CH2-CH3 + CH2=CH-R2
  30. Was passiert beim thermischen Cracken?
    Hierbei werden ohne den Einsatz von Katalysatoren die Moleküle so stark erhitzt, dass die C-C-Bindungen aufbrechen. Dabei entstehen kurzkettige Kohlenwasserstoffe.
  31. Was versteht man unter "Visbreaking"?
    • Visbreaking ist ein thermisches Crackverfahren, bei dem unter Eiusatz des Atmosphärenrückstandes aus der Erdöldestillation in einem Spaltofen (480 - 490 °C, 8-50 bar) kurzkettige Moleküle erzeugt werden. Diese werden vor dem Eintritt in eine Fraktionierkolonne mit kaltem Crackgasöl gequencht, bevor sie in einzelne Fraktionen aufgetrennt werden: Crackgase, Crackbenzin (Kopf), Crackgasöl (Mitte), Crackrückstand (Sumpf)
  32. Wie funktioniert das Fluid-Coking-Verfahren?
    • Es ist ein Verfahren für thermisches Cracken. In einem Aufheizer werden Kokspartikel auf ca. 625 °C erhitzt, die dann dem eigentlichen Crackreaktor zugeführt werden. Dieser ist eine Wirbelschicht, in der sich die noch zwischen 500 - 550 °C heißen Kokspartikel befinden. Koks aus dem Crackreaktor wird in den Aufheizer zurückgeführt. Als Feed kommt Atmosphärenrückstand aus der Erdöldestillation zum Einsatz. Produkte sind Leichtsieder, Gasöl und Koks.
  33. Welche Katalysatoren kommen beim katalytischen Cracken zum Einsatz und was zeichnet sie aus?
    • Zeolithe: komplex strukturiert und haben formselektive Eigenschaften. Das bedeutet, dass bestimmte Reaktionen an Isomeren begünstigt ablaufen, andere gar nicht stattfinden. Sie sind also für bestimmte Reaktionen selektiv, man unterscheidet zwischen
    • Reaktanden-Selektivität
    • Produkt-Selektivität
    • Übergangszustand-Selektivität
  34. Welche beiden Reaktions-Mechanismen beim katalytischen Cracken kennen Sie?
    • Bildung eines Carbenium-Ions
    • Bildung eines Carbonium-Ions
  35. Wie funktioniert das Fluid-Catalytic Cracking (FCC)?
    • Dieses Verfahren besteht aus 3 wesentlichen Apparaten:
    • - Regenerator (T > 600 °C)
    • - Reaktor (480 °C < T < 540 °C)
    • - Kolonne
    • Im Fließbettreaktor befindet sich mit Luft fluidisiertes Zeolith-Pulver. Dieses wird in einem Regenerator fluidisiert und wieder in den Reaktor zurückgeführt. Das Produktgemisch aus dem Reaktor wird in einer Kolonne fraktioniert: Crackgas, Crackbenzin, Crackgasöl und Rückstand. Als Einsatz wird Vakuumgasöl oder Vakuumrückstand verwendet. Der Anlagendurchsatz beträgt 15000 t pro Tag.
  36. Was passiert beim Hydrocracking?
    Durch den Einsatz von Wasserstoff nach dem Crackprozess werden Alkene in Alkane zurückgewandelt, es entstehen bevorzugt gesättigte Kohlenwasserstoffe.
  37. Für was steht das HDS-Verfahren und was passiert dabei?
    • HDS = Hydrodesulfurierung, ein Wasserstoff-Entschwefelungsverfahren.
    • Es ist eine katalytische Hydrierung mit Co-MoO3 oder Al2O3-Katalysator, die bei 300 - 400 °C und 25 - 60 bar durchgeführt wird

    • R1-SH + H2 → R1-H + H2S
    • R1-S-R2 + 2 H2 → R1-H + R2-H + H2-S
  38. Was ist ein zweistufiger Hydrocracker?
    Eine Kombination aus HDS und Hydrocracker
  39. Was entsteht beim Claus-Prozess? Welche Stoffe werden eingesetzt?
    • Produkt: Schwefel
    • Einsatzstoffe: H2S und O2

    • Gesamtreaktion:
    • 3 H2S + 1,5 O2 → 3 S + 3 H2O
  40. Wozu dienst das Reforming?
    • Isomerisierung und Cyclisierung von Alkanen (Oktanzahl erhöhen)
    • Überführung von Cycloalkanen (Naphthene) in Aromaten
  41. Nennen Sie die Prozessbedingungen beim Reforming.
    ALs Einsatzstoff wird Schwerbenzin oder schweres Naphtha, als Katalysatoren Pt-Re oder Pt auf Al2O3 verwendet. Die Reaktionen laufen bei hohem Druck von 30 - 40 bar und Temperaturen zwischen 490 - 540 °C in einem Rieselbettreaktor (moving bed Reaktor) ab.
  42. Welche Reaktionen finden beim Reforming statt?
    • Isomerisierung von n-Alkanen in iso-Alkane (Oktanzahl erhöhen)
    • Isomerisierung von Naphthenen
    • Dehydrierung von Naphthenen zu Aromaten
    • Dehydrocaclisierung von n-Alkanen zu Naphthenen
    • es entsteht H2 als Koppelprodukt
  43. Welche Verfahren kennen Sie noch aus der Raffinerie?
    • Isomerisierung
    • - geradkettige Alkane in iso-Alkane (Pt-Katalysator)
    • Alkylierung
    • - Umsetzung von Isobutan mit niedrigen (C3-C5) Alkenen (Olefinen) an sauren Katalysatoren (H2SO4, wasserfreie HF)
    • Polymerisierung
    • - als Alternative zur Alkylierung; Polymerisation niedriger Olefine zu Polymerbenzin
  44. Zeigen Sie ein Beispiel auf für eine Isomerisierungsreaktion beim Reforming.
    n-Octan → 2,5 Methylhexan



    • Dimethylcyclopentan → Methylcyclohexan
  45. Zeigen Sie ein Beispiel auf für eine Dehydrierungsreaktion beim Reforming.
    • Cyclohexan → Benzol
    • Methylcyclohexan → Toluol
    • Dimethylcyclohexan → p-Xylol
  46. Zeigen Sie ein Beispiel auf für eine Dehydrocyclisierungsreaktion beim Reforming.
    • n-Heptan → Toluol
  47. Zeigen Sie ein Beispiel auf für eine Alkylierungsreaktion.
    • Methylpropan + Propen → 2 Methylhexan
  48. Zeigen Sie ein Beispiel auf für eine Polymerisationsreaktion.
    • Propen + Propen → 2 Methylhepten
  49. Gegeben sei ein Koordinatensystem mit der mittleren Kettenlänge auf der Ordinate und dem Wasserstoffgehalt auf der Abszisse. Tragen Sie folgende Mechanismen ein: Alkylierung/Polymerisation, Hydrotreating, Hydrocracken, Cracken, Reforming
  50. Aus welchen Bestandteilen besteht Erdgas?
    • Methan - 85
    • Ethan - 9
    • Propan - 2,5
    • Butan - 0,7
    • Pentan - 0,1
    • Hexan - 0,05
    • CO2 - 1,65
    • N2 - 1
    • O2 - <0,01
  51. Wie entsteht Erdgas?
    • Der Entstehungsprozess von Erdgas ähnelt sehr dem von Erdöl, weswegen diese beiden Substanzen auch oft zusammen gefunden werden. Es entsteht unter Sauerstoffabschluß bei hohen Drücken und Temperaturen aus abgestorbenen und abgesunkenen Kleinstlebewesen. Dieser Vorgang kann in 4 Schritten des anaeroben Abbaus von Biomasse beschrieben werden:
    • - Hydrolyse
    • - Acidogenese
    • - Acetogenese
    • - Methanogenese
  52. Welche Wertstoffe (Produkte) entstehen bei der Erdgasaufbereitung?
    • CO2
    • Schwefel
    • Methan
    • Ethan
    • Propan
    • Butan
    • C5+
    • H2O
  53. Nennen Sie die einzelnen Verfahrensschritte bei der Erdgasaufbereitung
  54. Was passiert bei der Erdgasreinigung?
    Hierbei wird dem Erdgas in einer Absorber-Desorber-Anlage Wasser entzogen. Im Absorber wird das Erdgas mit dehr hygroskopischem Triethylenglykol (TEG) über Packungen in Kontakt gebracht. Das beladene TEG wird im Desorber regeneriert und wieder dem Absorber zugeführt. Im Desorber fallen Abgase an, aus dem Absorber strömt Reingas
  55. Gibt es "alternative" Erdgasquellen?
    Erdgas kann auch in so genannten Methanhydraten als Sediment im Ozean lagern. Hierbei handelt es sich um von erstarrtem Wasser eingeschlossene Gasmoleküle. Schätzungen zufolge lagern mehr als 50 % des globalen Kohlenstoffs in solchen Methanhydraten. Zusammen mit Kohle, Erdöl und Erdgas macht dies sogar 75 % aus.
  56. Was kann aus Kohle hergestellt werden?
    Durch...

    • ...Verkokung / Schwelung (Entgasung)
    • - Koks
    • - Gas
    • - Teer
    • - Benzol
    • ...Vergasung (indirekte Kohleverflüssigung)
    • - Synthesegas (CO / H2)
    • - Methan
    • ...Hydrierung (direkte Kohleverflüssigung)
    • - Gas
    • - Benzin
    • - Mittel / Schweröle
    • ...Carbid-Synthese (elektrothermische Umsetzung von Koks)
    • - Acetylen
  57. Was passiert in einer Kokerei?
  58. Bei welchen Temperaturen wird Teerdestillation betrieben und was lässt sich aus den Destillations-Fraktionen herstellen?
    • Bei 70 - 450 °C; der nicht destillierbare Rückstand heißt Pech
    • ...Kristallisation
    • - reine Kohlenwasserstoffe
    • - Aromatenöle
    • ...Extraktion
    • - Phenole
    • - Heterocyclen
    • ...Pech
    • - Straßenteer
  59. Aus was besteht Synthesegas?
    CO / H2
  60. Aus was kann Synthesegas hergestellt werden und durch welches Verfahren?
    • Steamreforming: Erdgas, Leichtbenzin
    • Partielle Oxidation: Kohle, Schweröl, Destillationsrückstände
  61. Welche Anwendungen hat Synthesegas?
    • Ammoniaksynthese
    • Methanolsynthese
    • Hydroformulierung
    • Kohlenmonoxid
    • Reinst-Wasserstoff

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