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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:
- Änderung der Stoffeigenschaften: Zerkleinern, Kühlen, Verdampfen...
- Änderung der Stoffzusammensetzung: Filtration, Destillation, Elektrolyse...
- Änderung der Stoffart: Oxidation, Hydrierung, Polymerisation, Gärung...
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 Prozesses 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.
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 andern Disziplinen wird meist von einem gegeben Prozess ausgegangen, da der Schwerpunkt auf andern 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 wird daher oft dem Maschinenbau zugeordnet.
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 mitStoffwandlungsprozessen, 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
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.
Bioverfahrenstechnik
Die Bioverfahrenstechnik beschäftigt sich mit Stoffwandlungen durch biologische Prozesse, wie Gärung. Ein wichtiges, neues Teilgebiet ist die "Weiße Biotechnologie". Hierbei ersetzen enzymatische Produktionsverfahren langwierige und umweltschädliche Verfahren in der Papier-, Chemie- und Pharmaindustrie, in der Energieversorgung sowie im Lebensmittel- Kosmetik- oder Textilbereich - z.B. Baumwolle ("Stone-Washed-Look") lässt sich mit weniger Aufwand färben.
- Chmiel, Horst (Hrsg.): Bioprozesstechnik. 2. Aufl. Spektrum Akademischer Verlag 2005. ISBN 3-8274-1607-8
Anlagenbau
Der Anlagenbau ist für die Errichtung verfahrenstechnischer Anlagen zuständig. Das Aufgabenspektrum reicht von Planungsleistungen über Kostenschätzungen bis hin zur Lieferung von schlüsselfertigen Gesamtanlagen im Wert von mehreren Milliarden Euro.
Nanotechnik
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
- Burkard Lotz: "Der Begriff "schlüsselfertig" im Anlagenbau", BB 1996, 544 ff
- Burkard Lotz: "Der Konsortialvertrag des Anlagenbaus im In- Und Ausland", ZfBR 1996, 233 ff
- Burkard Lotz: "Haftungsbeschränkungen in Anlagenverträgen", ZfBR 2003, 424 ff
= Siehe auch =
Dispersitätsanalyse, Chemieingenieurwesen, Partikelmesstechnik, Blasensäule
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"Verfahrenstechnik"