G. Herbert Vogel

Verfahrensentwicklung

Verfahrensentwicklung. G. Herbert VogelCopyright © 2002 Wiley-VCH Verlag GmbHISBN: 978-3-527-28721-5

G. Herbert Vogel

Verfahrensentwicklung

Von der ersten Idee zur chemischenProduktionsanlage

Unter Mitarbeit vonDr.-Ing. Gerd Kaibel

Prof. Dr. G. Herbert Vogel

TU Darmstadt

Ernst Berl Institut fur Technische

und Makromolekulare Chemie

Petersenstraße 20

64287 Darmstadt

Das vorliegende Werk wurde sorgfaltig erarbeitet.

Dennoch ubernehmen Autor und Verlag fur die

Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Rat-

schlagen sowie fur eventuelle Druckfehler keine

Haftung.

Die Deutsche Bibliothek –

CIP-Einheitsaufnahme

Ein Titeldatensatz fur diese Publikation ist

erhaltlich bei Der Deutschen Bibliothek

ª Wiley-VCH Verlag GmbH

Weinheim 2002

Alle Rechte, insbesondere die der Ubersetzung in

andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses

Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des

Verlages in irgendeiner Form – durch Fotokopie,

Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfah-

ren – reproduziert oder in eine von Maschinen,

insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen,

verwendbare Sprachen ubertragen oder ubersetzt

werden.

printed in the Federal Republic of Germany

gedruckt auf saurefreiem Papier

Satz Mitterweger & Partner

Kommunikationsgesellschaft mbH, Plankstadt

Druck Strauss Offsetdruck GmbH, Morlenbach

Bindung Grossbuchbinderei

J. Schaffer GmbH & Co. KG, Grunstadt

ISBN 3-527-28721-3

Meinen Kindern

Birke, Karl, Anke und Till

Vorwort

Die Idee des Buches war es, dem Akademiker nach seiner Ausbildung den Ubergangvon der Universitat in die chemische Industrie zu erleichtern. Allen Diplomandenund Doktoranden der Natur-, Ingenieur-, aber auch Wirtschaftswissenschaften, diekurz vor dem Wechsel in die chemische Industrie stehen, soll dieses Buch das Rust-zeug in die Hand geben, das ihnen einen problemlosen Start ins Berufsleben ermog-licht und sie dem erfahrenen Industriechemiker und -ingenieur von Anfang an alskompetente Gesprachspartner gegenuberstehen lasst.Dieses Buch richtet sich aber auch sowohl an langjahrige Mitarbeiter aus der In-

dustrie, die ein umfassendes aber knappes Nachschlagewerk suchen, wenn sie Rat-schlage zur Problemlosung brauchen, als auch an Studenten der TechnischenChemie, die ihr Wissen zur Prufungsvorbereitung auffrischen wollen.In den Kapiteln 3 bis 6 wird die Entwicklung und Bewertung von Produktionsver-

fahren sowie die Abwicklung von Projekten aus der Sicht des Chemikers geschildert.Die unterschiedlichsten Aspekte, die berucksichtigt werden mussen, bevor und wah-rend eine Chemieanlage geplant, gebaut und in Betrieb genommen wird, werdenbehandelt: chemische, ingenieur- undmaterialwissenschaftliche, juristische, betriebs-wirtschaftliche, sicherheitstechnische und andere.Das notige Grundwissen vermittelt Kapitel 2 mit dem Titel „Die chemische Produk-

tionsanlage und ihre Bestandteile“. Es behandelt die wichtigsten Teilgebiete der Tech-nischen Chemie wie Katalyse, Chemische Reaktionstechnik, Trennverfahren, Hydro-dynamik, Stoff- und Energielogistik, Mess- und Regeltechnik, Anlagensicherheit,Werkstoffauswahl. So sorgt es als kurzes Lehrbuch der Chemischen Technologie,welches in das Buch integriert ist, auch dafur, dass der Leser nicht weitere Bucherzu Rate ziehen muss, sollte ihm an manchen Stellen das Fachwissen nicht mehr ge-genwartig sein. Ein ausfuhrlicher Anhang (mathematische Formeln, Umrechnungen,thermodynamische Daten, Stoffdaten, gesetzliche Regelungen u. a.) unterstutzt ihndabei.Das vorliegende Buch spiegelt die industrielle Erfahrung wider, die ich in den Jah-

ren von 1982 bis 1993 bei der BASF AG, Ludwigshafen bei Entwicklung, Planung, Bauund Inbetriebnahme petrochemischer Produktionsanlagen gesammelt habe. Daherist die Auswahl der Themen und die Vorgehensweise naturlich subjektiv. MeinenLehrmeistern auf diesem Gebiet, Herrn Dr. Gerd Dumbgen und Herrn Dr. Fritz Thies-sen gebuhrt an dieser Stelle mein besonderer Dank.

VII

Ohne die aktive Hilfe von Herrn Dr.-Ing. Gerd Kaibel (BASF Aktiengesellschaft, Lud-wigshafen) ware dieses Buch nicht realisierbar gewesen. Er steuerte seine große in-dustrielle Erfahrung bei, und hatte die Bearbeitung des Kapitels 2.3 uber thermischeund mechanische Trennverfahren ubernommen.Herrn Prof. Dr. Wilfried J. Petzny (ehemals EC Erdolchemie GmbH, Koln) danke ich

fur die Durcharbeitung des Manuskriptes und seine konstruktive Kritik sowie Kom-mentare, die ich gerne ubernommen habe.Schließlich bin ich Herrn Dieter Bottiger (TU Darmstadt) fur die Erstellung vieler

Abbildungen sowie meiner altesten Tochter Birke Vogel (BASF AG, Ludwigshafen)fur die Einfuhrung in die neue Rechtschreibung und das Korrekturlesen zu Dankverpflichtet.Fur die in diesem Buch enthaltenen Fehler und Mangel bin ich alleine verant-

wortlich.

Darmstadt und Ludwigshafen, im Februar 2002 G. Herbert Vogel

VorwortVIII

Inhaltsverzeichnis

1 Einfuhrung 1

1.1 Das Ziel industrieller Forschung und Entwicklung 3

1.2 Die Produktionsstruktur der chemischen Industrie 4

1.3 Die Aufgabe der Verfahrensentwicklung 12

1.4 Ideenfindung 12

2 Die chemische Produktionsanlage und ihre Bestandteile 15

2.1 Katalysator 18

2.1.1 Katalysatorperformance 22

2.1.1.1 Selektivitat 22

2.1.1.2 Aktivitat 22

2.1.1.3 Lebensdauer 24

2.1.1.4 Mechanische Festigkeit 27

2.1.1.5 Herstellkosten 27

2.1.2 Charakterisierung von Katalysatoren 30

2.1.2.1 Chemische Zusammensetzung 30

2.1.2.2 Art des Tragermaterials 31

2.1.2.3 Promotorenzusatze 31

2.1.2.4 Phasenzusammensetzung 32

2.1.2.5 Partikelgroße 32

2.1.2.6 Hohlraumstruktur 33

2.1.2.7 Oberflachenstruktur 33

2.1.2.8 Nebenprodukte im Feed 33

2.1.3 Kinetik der Heterogenkatalyse 34

2.1.3.1 Filmdiffusion 35

2.1.3.2 Porendiffusion 37

2.1.3.3 Sorption 41

2.1.3.4 Oberflachenreaktionen 45

2.1.3.5 Porendiffusion und chemische Reaktion 47

2.1.3.6 Filmdiffusion und chemische Reaktion 52

2.2 Reaktor 53

2.2.1 Grundlagen der chemischen Reaktionstechnik 54

2.2.1.1 Ideale Reaktoren 58

2.2.1.2 Reaktoren mit realem Verhalten 62

IX

2.2.1.3 Nicht-isotherme Reaktoren 70

2.2.1.4 Ausfuhrungsformen von Reaktoren 76

2.3 Produktaufarbeitung (thermische- und mechanische Trennverfahren) 83

2.3.1 Warmeubertragung, Verdampfung, Kondensation 83

2.3.1.1 Grundlagen 83

2.3.1.2 Dimensionierung 89

2.3.2 Destillation, Rektifikation 98

2.3.2.1 Grundlagen der Gas/Flussig-Gleichgewichte 98

2.3.2.2 Einstufige Verdampfung 103

2.3.2.3 Mehrstufige Verdampfung (Rektifikation) 106

2.3.2.4 Entwurf von Destillationsanlagen 112

2.3.3 Absorption und Desorption, Strippung, Tragerdampfdestillation 140

2.3.3.1 Grundlagen 140

2.3.3.2 Dimensionierung 141

2.3.3.3 Desorption 146

2.3.3.4 Tragerdampfdestillation 147

2.3.4 Extraktion 148

2.3.4.1 Grundlagen 149

2.3.4.2 Dimensionierung 150

2.3.4.3 Apparatives 158

2.3.5 Kristallisation 160

2.3.5.1 Grundlagen 160

2.3.5.2 Losungskristallisation 163

2.3.5.3 Schmelzkristallisation 165

2.3.5.4 Dimensionierung 168

2.3.6 Adsorption, Chemisorption 170

2.3.7 Ionentausch 171

2.3.8 Trocknung 172

2.3.9 Sonderverfahren fur fluide Phasen 174

2.3.10 Mechanische Verfahren 174

2.3.10.1 Abtrennung von Feststoffen aus Flussigkeiten 175

2.4 Rohrleitungssystem, Pumpen, Kompressoren 178

2.4.1 Grundlagen der Hydrodynamik 178

2.4.2 Einphasenstromung in Rohrleitungen 180

2.4.3 Flussigkeitspumpen 185

2.4.4 Verdichter 190

2.5 Energieversorgung 192

2.5.1 Dampf- und Kondensatsystem 192

2.5.2 Elektrische Energie 194

2.5.3 Kuhlwasser 194

2.5.4 Kalteenergie 195

2.5.5 Druckluft 195

2.6 Produktversorgung und Lagerung 196

2.7 Ruckstandsentsorgung 198

2.7.1 Abgassammelsystem und Fackel 198

InhaltsverzeichnisX

2.7.2 Verbrennungsanlagen fur gasformige und flussige Ruckstande 198

2.7.3 Spezielle Verfahren zur Abluftreinigung 200

2.7.4 Abwasserreinigung und -entsorgung 203

2.7.4.1 Klaranlage 203

2.7.4.2 Spezielle Verfahren der Abwasserreinigung 206

2.7.5 Slopsystem 207

2.8 Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik 209

2.8.1 Messtechnik 209

2.8.1.1 Temperaturmessung 209

2.8.1.2 Druckmessung 212

2.8.1.3 Fullstandsmessung 212

2.8.1.4 Durchflussmessung 213

2.8.1.5 Analysen 217

2.8.2 Regelungstechnik 218

2.8.3 Steuerungstechnik 225

2.9 Anlagensicherheit 228

2.10 Werkstoffauswahl 232

2.10.1 Wichtige Werkstoffe und ihre Eigenschaften 234

2.10.1.1 Mechanische Eigenschaften und thermische Bestandigkeit 236

2.10.1.2 Korrosionsverhalten 238

2.10.2 Metallische Werkstoffe 242

2.10.3 Nichtmetallische Werkstoffe 243

3 Verfahrensunterlagen 245

3.1 Chemische Daten 247

3.1.1 Reaktionswarme 247

3.1.2 Thermodynamisches Gleichgewicht 248

3.1.3 Kinetik 253

3.1.4 Selektivitat und Umsatz als Funktion der Prozessparameter 265

3.2 Massenbilanz 269

3.3 Stoffdaten 271

3.3.1 Reinstoffdaten 272

3.3.2 Mischungsdaten 273

3.4 Aufarbeitung 275

3.5 Patent- und Lizenzsituation 275

3.6 Entwicklungskosten 279

3.7 Standort 280

3.8 Marktsituation 280

3.9 Rohstoffe 282

3.10 Anlagenkapazitat 285

3.11 Entsorgungssituation 286

3.12 Endprodukt 287

XI

4 Ablauf einer Verfahrensentwicklung 289

4.1 Die Verfahrensentwicklung als iterativer Prozess 291

4.2 Die Aufstellung des ersten Verfahrenskonzeptes 294

4.2.1 Handwerkszeuge 297

4.2.1.1 Datenbanken 297

4.2.1.2 Simulationsprogramme 298

4.2.1.3 Expertensysteme 302

4.3 Die Prufung der Einzelschritte 304

4.4 Mikroplant, Schnittstelle zwischen Labor und Technikum 306

4.5 Die Prufung des Gesamtverfahrens im Technikum 307

4.5.1 Miniplant-Technik 307

4.5.1.1 Einleitung 307

4.5.1.2 Aufbau 308

4.5.1.3 Grenzen der Miniaturisierung 310

4.5.1.4 Grenzen der Miniplanttechnik 312

4.5.2 Pilotanlage 312

5 Planung, Errichtung und Betriebnahme einer Chemieanlage 315

5.1 Allgemeiner Ablauf einer Projektabwicklung 317

5.2 Wichtige Teilaspekte bei der Projektabwicklung 324

5.2.1 Genehmigung 324

5.2.2 Sicherheitsstudien 327

5.2.3 Storfallverordnung 331

5.2.4 R&I-Fließbilder 332

5.2.5 Funktionsplane 333

5.2.6 Technische Blatter 334

5.2.7 Modellbau 334

5.2.8 Erstellung weiterer wichtiger Unterlagen 336

5.3 Commissioning 336

5.4 Inbetriebnahme 337

6 Verfahrensbewertung 339

6.1 Erstellung von Studien 341

6.1.1 Kurzfassung 342

6.1.2 Grundfließbild 342

6.1.3 Verfahrensbeschreibung und Verfahrensfließbild 342

6.1.4 Entsorgungsfließbild 344

6.1.5 Investitionsschatzung 345

6.1.5.1 Einleitung 345

6.1.5.2 Investitionen (ISBL) 346

6.1.5.3 Investitionen (OSBL) 349

6.1.5.4 Infrastrukturmaßnahmen 349

6.1.6 Berechnung der Herstellkosten 349

6.1.6.1 Einsatzstoffkosten 350

6.1.6.2 Energiekosten 351

InhaltsverzeichnisXII

6.1.6.3 Entsorgungskosten 357

6.1.6.4 Personalkosten 358

6.1.6.5 Werkstattkosten 359

6.1.6.6 Sonstige Kosten 359

6.1.6.7 Kapitalabhangige Kosten (Abschreibung) 359

6.1.7 Technologiebewertung 360

6.1.8 Maßnahmen zur Erhohung der technischen Zuverlassigkeit 362

6.1.9 Experimenteller Ausarbeitungsstand 368

6.2 Rentabilitat 368

6.2.1 Statische Rentabilitat 368

6.2.2 Dynamische Rentabilitat 370

6.3 Wirtschaftliches Risiko 371

6.3.1 Sensitivitatsanalyse 372

6.3.2 Amortisationszeit 372

6.3.3 Cash-Flow 373

7 Trends in der Verfahrensentwicklung 375

8 Anhang 381

8.1 Mathematische Formeln 383

8.2 Naturkonstanten 392

8.3 Elementzusammenstellung mit relativen Atommassen undBindungsradien sowie Schmelz- und Siedepunkten 392

8.4 Umrechnung verschiedener Maßeinheiten in SI-Einheiten 395

8.5 Wichtige Zusammenhange zwischen abgeleiteten Einheitenund Basiseinheiten 400

8.6 Umrechnung von Konzentrationsangaben binarer Mischungender gelosten Komponente A im Losungsmittel B 400

8.7 Van-der-Waals-Konstanten a und b und kritische Werte fur einige Gasein alphabetischer Reihenfolge 401

8.8 Warmekapazitaten einiger Stoffe und ihre Temperaturabhangigkeit 402

8.9 Thermodynamische Daten ausgewahlter organischer Verbindungen 403

8.10 Großenordnung der Reaktionsenthalpie DRH ausgewahlter technischerReaktionen 404

8.11 Antoine-Parameter ausgewahlter organischer Verbindungen 407

8.12 Eigenschaften von Wasser 409

8.12.1 Formeln fur die Berechnung der physikalisch-chemischenEigenschaften von flussigem Wasser zwischen 0 und 150 8C 409

8.12.2 Stoffwerte von Wasser 412

8.12.3 Dichte q / kg m�3 von Wasser bei verschiedenen Temperaturenund Drucken 414

8.12.4 Spezifische Warmekapazitat cP/kJ kg�1 K�1 von Wasser

bei verschiedenen Temperaturen und Drucken 415

8.12.5 Dynamische Viskositat g/10�6 kg m�1 s�1 von Wasserbei verschiedenen Temperaturen und Drucken 416

XIII

8.12.6 Selbstdiffusionskoeffizient D/m2 s�1 von Wasserbei verschiedenen Temperaturen und Drucken 417

8.12.7 Warmeausdehnungskoeffizient b/10�3 K von Wasserbei verschiedenen Temperaturen und Drucken 418

8.12.8 Warmeleitfahigkeit k/10�3 W m�1 K�1 von Wasser bei verschiedenenTemperaturen und Drucken 419

8.12.9 Negativer dekadischer Logarithmus des Ionenproduktesvon Wasser pKW/mol2 kg�2 [Marshall 1981] von Wasserbei verschiedenen Temperaturen und Drucken 420

8.12.10 Relative statische Dielektrizitatskonstante er von Wasser als Funktionvon Druck und Temperatur 420

8.13 Eigenschaften von trockener Luft(Molmasse: M = 28,966 g mol�1) 421

8.13.1 Realgasfaktoren r = pV/RT von trockener Luft bei verschiedenenTemperaturen und Drucken 422

8.13.2 Spezifische Warmekapazitat cp in kJ kg�1 K�1 von trockener Luftbei verschiedenen Temperaturen und Drucken 422

8.13.3 Dynamische Viskositat g/10�3 mPa s von trockener Luftbei verschiedenen Temperaturen und Drucken 423

8.13.4 Warmeleitfahigkeit k/W m�1 K�1 von trockener Luftbei verschiedenen Temperaturen und Drucken 423

8.14 Dimensionslose Kennzahlen 424

8.15 Wichtige gesetzliche Regelungen beim Umgang mit Stoffen 426

8.16 Gefahren- und Sicherheitshinweise 426

8.17 Die 25 großten Unternehmen der Welt im Jahr 2000 430

8.18 Die 25 großten Unternehmen in Deutschland im Jahr 2000 431

8.19 Oberflachenuntersuchungsmethoden 432

9 Literatur 435

Register 475

InhaltsverzeichnisXIV

1Einfuhrung

Verfahrensentwicklung. G. Herbert VogelCopyright © 2002 Wiley-VCH Verlag GmbHISBN: 978-3-527-28721-5

1.1

Das Ziel industrieller Forschung und Entwicklung

In der chemischen Industrie (Abb. 1-1) werden ca. 7% des Umsatzes fur Forschungund Entwicklung ausgegeben [Jahrbuch 1991, VCI 2000, VCI 2001] (Tab. 1-1 und An-hang 8.16). Dieser Betrag liegt in der Großenordnung des Unternehmensgewinnesoder der Kapitalinvestitionen. Die Aufgabe des Forschungsmanagements ist es, dieseMittel zur Schaffung von Wettbewerbsvorteilen einzusetzen [Meyer-Galow 2000].Denn der Markt hat sich verandert, von einem nationalen Verkaufermarkt nachdem zweiten Weltkrieg (Nachfrage > Angebot) zu einem Weltmarkt mit immer gro-ßer werdenden Konkurrenzdruck. Dies ist nicht ohne Auswirkung auf die Strukturder großen Chemiefirmen geblieben: aus integrierten, breit diversifizierten Konzer-nen (z. B. Hoechst, ICI, Rhone-Poulenc) sind in den 90er Jahren Spezialisten fur Bulk-Chemikalien (Dow/UCC, Celanese, Elenac/Montell), Fein- und Spezial-Chemikalien(Clariant, Ciba SC) sowie Wirkstoffformulierungen (Pharma, Agro wie Aventis, Nor-vatis) geworden [Felcht 2000, Perlitz 2000].Da chemische Verkaufsprodukte im Gegensatz zu Konsumgutern (z. B. Automo-

bile oder Artikel der Modebranche) uberwiegend „emotionslose Produkte“ sind (Bei-spiele: Polyethylen, Salzsaure), gelten fur den professionellen Chemiekunden in er-ster Linie nur die Kaufanreize: Nutzen und Preis. Alle Forschungsaktivitaten einesIndustrieunternehmens mussen sich daher in letzter Konsequenz auf drei Basisfak-toren von Wettbewerbsvorteilen reduzieren, namlich das Billiger und/oder das Besserund/oder das Schneller als der Wettbewerber. Die UND-Kombination bietet die groß-ten Wettbewerbsvorteile und wird daher auch als Weltmeisterstrategie bezeichnet.

Abb. 1-1 Marktkapitalisierung großer Chemiekonzerne [Meyer-Galow 2000].

1.1 Das Ziel industrieller Forschung und Entwicklung 3

Haufiger wird man sich mit der ODER-Kombination schon zufrieden geben mussen.Das qualitative Billiger kann durch eine Herstellkostenanalyse quantifiziert werden.Dazu genugt es zunachst, sich die Grobstruktur der Herstellkosten anzuschauen.Jede Position in Tab. 1-2 kann so fur sich analysiert und das Gesamtsystem optimiertwerden. Der Wettbewerbsvorteil Besser bezieht sich heute nicht nur auf die FaktorenVerfugbarkeit und Produktqualitat, sondern auch auf die Umweltvertraglichkeit desVerfahrens [Gartner 2000], das Qualitatssicherungskonzept, Lieferzeit, Exklusivitat[Krekel 1992] usw.

1.2

Die Produktionsstruktur der chemischen Industrie

Wenn man die Produktionsstruktur der chemischen Industrie betrachtet [Petroche-mie 1990, BASF 1999, Petzny 1999], so stellt man fest, dass es nur einige hundertgroße Grund- und Zwischenprodukte gibt, die im Maßstab von mindestens einigentausend bis zu mehreren Millionen Jahrestonnen weltweit hergestellt werden. Dieserelativ kleine Gruppe von Schlusselprodukten, die wiederum nur aus ca. 10 Rohstof-

Tab. 1-1 Wachstumskennzahlen der deutschen Chemischen Industrie [VCI 2001].

1990 1995 1996 1997 1998 1999 2000

Umsatz (Mrd. EURO) 83,5 92,1 89,5 96,6 95,8 97,1 108,6

Besch€aaftigte in Tausend 592 536 518 501 485 478 470

Investitionen in Sachanlagen

(Mrd. EURO)

6,5 5,8 6,4 6,4 6,9 6,9 7,2

F&E-Aufwendungen

(Mrd. EURO)

5,4 5,3 5,8 6,1 7,0 7,3 7,9

Tab. 1-2 Grobstruktur der Herstellkosten.

Stoffkosten

Energiekosten variable Kosten (Produktionsabh€aangig)

Entsorgungskosten

Personalkosten

Werkstattkosten

Abschreibungfixe Kosten (Produktionsunabh€aangig)

sonstige Kosten

R Herstellkosten

1 Einfuhrung4

fen hergestellt werden, bilden den stabilen Sockel, auf dem sich die weitverzweigteVeredlungschemie (Farbstoffe, Pharmaka usw.) mit ihren vielen tausend, oft nurkurzlebigen Endprodukten aufbaut [Amecke 1987]. Es entstanden die bekanntenStammbaume (Abb. 1-2), die wir auch als Synonym fur einen intelligenten Produk-tionsverbund mit oft erfolgsentscheidenden Synergien verstehen mussen.Ein besonderes Kennzeichen derGrund- und Zwischenprodukte ist ihre Langlebigkeit

[Raichle 2001]. Sie sind durch die große Zahl ihrer Folgeprodukte und die Vielfaltihrer Verwendungsmoglichkeiten statistisch so gut abgesichert, dass sie vom standi-gen Wandel in den Verkaufspaletten kaum beruhrt werden. Anders als viele Endpro-dukte, die im Laufe der Zeit durch bessere abgelost werden, haben jene selbst keinenLebenszyklus. Der Wandel erfasst bei ihnen jedoch die Verfahren zu ihrer Herstellung.Er wird einerseits durch neue technische Moglichkeiten und Fortschritte seitens der

Abb. 1-2 Produktionsstammbaum der chemischen Industrie. Ausgehend von wenigen Rohstoffen gelangt

man €uuber die Grund- und Zwischenprodukte zu den Feinchemikalien, Veredlungs- und Verbraucherproduk-

ten sowie Spezialchemikalien und Wirkstoffen [Quadbeck 1990, Jentzsch 1990, Chemie Manager 1998,

Raichle 2001].

1.2 Die Produktionsstruktur der chemischen Industrie 5

Forschung initiiert, andererseits aber auch von der jeweils herrschenden Rohstoff-situation diktiert (Abb. 1-3, Tab. 1-3).Langfristig wird es in 40 bis 50 Jahren zu einer Erdolverknappung kommen, was

einen verstarkten Einsatz von Erdgas zur Folge haben wird. Als langfristigster fossilerEnergietrager mit mehr als 500 Jahren Reichweite ist sicher die Kohle anzusehen. Obdie Erdgasvorrate in Form von Methanhydrat – hier ist mehr Kohlenstoff gespeichertals in den ubrigen fossilen Rohstoffen – erschließbar sind, kann heute noch nicht

Tab. 1-3 Weltproduktionszahlen in Mio. jato der wichtigsten Energie- und Rohstoffquellen [Hopp 2000].

Jahr 1994 Jahr 1997

Fossile Rohstoffe

Steinkohle 3568 3834

Erd€ool 3200 3475

Braunkohle 950 914

Erdgas [Mrd. Nm3] 2162*) 2300*)

Nachwachsende Rohstoffe

Getreide mit Mais 1946 1983

Kartoffeln 275 295

H€uulsenfr€uuchte 57 55

Fleisch 199 221

Zucker 111 124

Fette (tierische und pflanzliche) / ca. 100

*) 1 t SKE (Steinkohleeinheiten) = 882 Nm3 Erdgas = 0,7 t €OOl€aaquivalente = 29,3 106 kJ

Abb. 1-3 Die Rohstoffbasis der chemischen Industrie im Wandel der Zeit [Graeser 1995, Petzny 1997,

Plotkin 1999, Van Heek 1999].

1 Einfuhrung6

beantwortet werden, da diese in geographisch ungunstigen Lagen (Permafrostgebiete,Kontinentalhange der Ozeane, Tiefsee) liegen.Bei den Grund- und Zwischenprodukten hat nicht das chemische Individuum, son-

dern das Herstellverfahren bzw. die Technologie ihre Lebenskurve. Abb. 1-4 stellt bei-

Abb. 1-4 Lebenszyklus der

a) Acryls€aaureproduktionsverfahren:

. . . . . . . . . . . . Cyanhydrin- und Propiolacton-Prozess

– – – – – – Reppe-Prozess

__________ Heterogenkatalysierte Propylenoxidation

(2000: 3,456 Mio.t; 2003: 4,8 Mio.t (gesch€aatzt) [Vogel 2001])

– . – . – . – . – neue Prozesse?

b) Ethylenoxidproduktionsverfahren.

1.2 Die Produktionsstruktur der chemischen Industrie 7

spielhaft die Lebenszyklen der Acrylsaure- und Ethylenoxidverfahren dar [Jentzsch1990, Ozero 1984]. Um hier im Wettbewerb bestehen zu konnen, muss der Produ-zent die Kostenfuhrerschaft bei seinen Verfahren besitzen. Strategische Erfolgsfakto-ren sind daher [Felcht 2000]:

* eine ausgefeilte Prozesstechnologie* die Nutzung der economy of scale durch word-scale-Anlagen* die Nutzung einer flexiblen Verbundstruktur am Produktionsstandort* die professionelle Abwicklung der Logistik großer Produktstrome.

Die Anforderungen an die Verfahrensentwicklung fur die Feinchemikalien unterschei-det sich deutlich von denen an die Grund- und Zwischenprodukte (Abb. 1-5 undAbb. 1-6). Neben den schon diskutierten Randbedingungen Besser und/oder Billigerkommen hier hinzu Time to Market (¼ Produktion des Produktes zur richtigen Zeitfur eine begrenzte Periode) und fokussierter F&E-Aufwand. Nur eine kleine Anzahl vonFeinchemikalien wie Vanillin, Menthol, Ibuprofen u. a., erreichen bzgl. Produktions-hohe und Lebensdauer die Bulkchemikalien. Weitere strategische Erfolgsfaktoren beidiesem Geschaft sind [Felcht 2000]:

* strategische Entwicklungspartnerschaften mit wichtigen Kunden.* das Potenzial, komplizierte mehrstufige organische Synthesen entwickeln zu kon-

nen.* ein breites Technologieportfolio bei den entscheidenden Synthesemethoden.* zertifizierte Technikums- und Produktionsanlagen.* Renommee und Image als kompetenter und zuverlassiger Lieferant.

Spezialchemikalien sind komplexe Mischungen, deren Wertschopfung in der synergi-stischen Wirkung der Inhaltsstoffe beruht. Die Anwendungstechnik ist hier entschei-

Abb. 1-5 Gr€ooßenordnung der Produktpreise als Funktion der Produktionsh€oohe f€uur die Grund- und

Zwischenprodukte sowie f€uur die Feinchemikalien [Metivier 2000].

1 Einfuhrung8

dend fur den Verkaufserfolg. Der Hersteller kann nicht mehr alle Inhaltsstoffe selbstproduzieren, was zu gewissen Abhangigkeiten fuhrt. Strategische Erfolgsfaktoren furden Hersteller sind [Felcht 2000, Willers 2000]:

* gute Marktkenntnisse uber die Bedurfnisse der Kunden* eine Vielzahl von magic ingredients im Portfolio* gutes technologisches Verstandnis der Kundensysteme* Technologiebreite und Flexibilitat.

Wirkstoffe wie Pharma- und Agroprodukte lassen sich nur wahrend der Patentlaufzeitwirtschaftlich vermarkten, bevor Generikaanbieter auf den Markt drangen. Die Wirk-stoffhersteller mussen sich daher sowohl auf die teure Forschung konzentrieren alsauch sofort nach dem Ende der Wirksamkeitsstudien und der Zulassung mit demweltweiten Vertrieb beginnen, um in der Patentrestlaufzeit keine Zeit fur die Markt-erschließung zu verlieren. Dagegen tritt die eigentliche chemische Produktion derWirkstoffe in den Hintergrund. Benotigte Vorprodukte konnen von Zulieferern ge-kauft und die Produktion des Wirkstoffes nach außen vergeben werden. Erfolgsfak-toren fur die Wirkstoffhersteller sind [Felcht 2000]:

* Erforschung der biomolekularen Krankheitsursachen und Targetsuche fur phar-makologische Effekte.

* effiziente Wirkstoffentwicklung (High Throughput Screening, Leitstrukturfindungund -optimierung, klinische Entwicklung)

* Patentschutz* leistungsfahige Vertriebsorganisation.

Unternehmen, die bereits uber Wettbewerbsvorteile verfugen, mussen in ihrer For-schungs- und Entwicklungsstrategie die Technologie-S-Kurve [Marchetti 1982, Mar-quardt 1999] berucksichtigen (Abb. 1-7). Aus ihr wird ersichtlich, dass mit zunehmen-

Abb. 1-6 Vergleich zwischen Bulk- und Feinchemikalien bzgl. Verkaufserl€oos und Entwicklungszeit des

zugrundliegenden Produktionsverfahrens [Metivier 2000].

1.2 Die Produktionsstruktur der chemischen Industrie 9

dem Forschungs- und Entwicklungsaufwand fur eine bestimmte Technologie die Pro-duktivitat dieser Aufwendungen im Zeitablauf abnimmt [Krubasik 1984]. Nahern sichUnternehmen der Grenze der Moglichkeiten einer bestimmten Technologie, so be-anspruchen sie uberproportional hohe Forschungs- und Entwicklungsaufwendungen,mit dem Ergebnis, dass der Beitrag dieser Anstrengungen fur die ForschungszieleBilliger und/oder Besser immer marginaler und dem Imitator immer die Moglichkeitgeben wird, den technischen Vorsprung einzuholen. Hingegen hat es ein Neulingschwer, in einen etablierten Markt einzudringen. Aber wie japanische und koreani-sche Firmen in der Vergangenheit zeigten, ist dies nicht unmoglich. Die Abb. 1-8 zeigtdie sog. Lernkurve fur einen bestimmten Produktionsprozess. Aufgetragen sind – indoppellogarithmischer Darstellung (Potenzgesetz y ¼ xn) – die Herstellkosten alsFunktion der akkumulierten Produktionsmenge, die als Maß fur die Prozesserfah-rung aufgefasst werden kann.

Abb. 1-8 Lernkurve: Herstellkosten (HK) als Funktion der akkumulierten Produktion, die als Maß f€uur die

Prozesserfahrung aufgefasst werden kann, in doppellogarithmischer Darstellung [Semel 1997]: ^ inl€aandi-

ndischer Produzent, & ausl€aandischer Konkurrent (Erl€aauterungen s. Text).

Abb. 1-7 Die Technologie-S-Kurve [Specht 1988, Blumenberg 1994]. Beim €UUbergang von der Basistechno-

logie (____) zu einer neuen Schrittmachertechnologie (– – –) steigt die Produktivit€aat der Forschungs- und

Entwicklungsaufwendungen erheblich an.

1 Einfuhrung10

Mit steigender Erfahrung sinken die Herstellkosten fur ein bestimmtes Produkt.Wenn aber z. B. ein auslandischer Konkurrent aufgrund von besseren Standortbedin-gungen sein Produkt in einer Neuanlage mit deutlich niedrigeren Anfangskosten her-stellen kann, hat er nach ca. 100 000 Tonnen Produktionserfahrung (Abb. 1-8) deninlandischen Wettbewerber, der schon 10 Mio. Tonnen produziert hat, eingeholtund kann danach billiger produzieren.Spatestens wenn ein Unternehmen im oberen Bereich der Produkt- oder Techno-

logie-S-Kurve angelangt ist, stellt sich die Frage, ob durch Innovation nicht ein Uber-gang von der Standardtechnologie zu einer neuen Schrittmachertechnologie notwendigist, um sich einen ausreichend großenWettbewerbsvorteil zu erarbeiten [Perlitz 1985,Bornecke 2000]. Abb. 1-7 gibt schematisch diesen Umstieg auf eine neue Schlussel-technologie wieder. Aus ihr wird deutlich, wie im Ubergang von einer Basistechno-logie zu einer neuen Schrittmachertechnologie die Produktivitat im Forschungs- undEntwicklungsbereich steigt und sich auf diese Weise beachtliche Wettbewerbsvorteileerzielen lassen [Miller 1997, Wagemann 1997].Die Technologiepotenziale der alten Technologie sind nur noch gering fur eine

Weiterentwicklung eines Besser und/oder Billiger, wahrend bei der neuen Techno-logie betrachtliche Potenziale fur Wettbewerbsvorteile geschaffen werden. Geradefur hochentwickelte Lander wie Deutschland, Japan u. a., die arm sind an naturlichenRohstoffen, basiert der Wohlstand im wesentlichen auf dieser Innovationstatigkeit,denn Forschung bedeutet eine Investition in die Zukunftmit kalkulierbaren Risiken [Mit-telstraß 1994], wahrend Kapitalinvestitionen Investitionen in die Gegenwart auf Basisexistierender Technologien sind.Um abschatzen zu konnen, ob eine Forschungs- und Entwicklungsstrategie des

Besser und/oder Billiger bei einem gegebenen Produkt oder einemHerstellverfahrennoch langerfristig tragbar ist, muss das F&E-Management ein Fruhwarnsystem ent-wickeln [Collin 1986, Jahrbuch 1991, Steinbach 1999, Fild 2001]. Dieses soll den opti-malen Zeitpunkt bestimmen, wann ein Unternehmen in ein neues Produkt oder eineneue Technologie umsteigen soll [Porter 1980, Porter 1985]. Entscheidend ist dabei,moglichst viele aktuelle Informationen uber die Aktivitaten der Konkurrenz zur Ver-fugung zu stellen. Zur Informationsbeschaffung eignen sich nicht nur die Patent-literatur [Narin 1993], sondern auch externe Vortrage, Tagungen, Firmenschriftenund vor allem der Einblick in Offenlegungsunterlagen von Konkurrenzfirmen beiBehorden (Kap. 3.5). Da industrielle Forschung sehr teuer ist, braucht man Instru-mente mit denenman das Forschungsbudget gezielt steuern kann [Christ 2000, Born-ecke 2000, Kraus 2001], z. B. durch eine:

* Kosten/Nutzen-Analyse fur bestimmte Produktbereiche, wobei der Nutzen vom ent-sprechenden nutzenden Geschaftsbereich festgelegt bzw. ermittelt wird. Nachtei-lig ist hier, dass uber die zukunftige Entwicklung nur Vermutungen angestelltwerden konnen.

* Portfolioanalyse (Kap. 3.8), um die Fragen zu beantworten:! Wo stehen wir jetzt?! Wo wollen wir in 5 oder 10 Jahren stehen?! Was mussen wir jetzt dafur tun?

1.2 Die Produktionsstruktur der chemischen Industrie 11

* ABC-Analyse, dient zur Steuerung des F&E-Ressourceneinsatzes. Sie beruht aufder Faustregel, dass:! 20% aller Produkte 80% des Umsatzes erwirtschaften oder! 20% aller Neuentwicklungen 80% der Entwicklungskosten verursachen.Es ist daher wichtig zu erkennen, welches diese 20% sind, um die Prioritaten rich-tig zu setzen (A ¼ wichtig, ertragreich, großte Erfolgsaussicht / B ¼ geringe Wert-schopfung / C ¼ weniger wichtige Aufgaben mit geringer Wertschopfung).

Wie eine Chemiefirma ihre Forschung organisiert ist unterschiedlich und hangt vorallem von dem Produktportfolio ab [Haarer 1999, Eidt 1997]. Meist wird es eine Mi-schung zwischen den beiden Extremen, der reinen Zentralforschung auf der einenSeite und der dezentralen Forschung (Forschung allein in den Geschaftsberei-chen) auf der anderen Seite sein [Hanny 1984].

1.3

Die Aufgabe der Verfahrensentwicklung

Die Aufgabe der Verfahrensentwicklung ist die Ubertragung von einer im Labor repro-duzierbar durchfuhrbaren chemischen Reaktion in technische Dimensionen unter Be-achtung der wirtschaftlichen, sicherheitstechnischen, okologischen und juristischenRahmenbedingungen [Harnisch 1984, Semel 1997, Kussi 2000].Die Laborapparatur steht am Anfang, die Produktionsanlage am Abschluss der Ent-

wicklungsarbeit; dazwischen liegt die Aufgabe der Verfahrensentwicklung. Die Aus-fuhrungen in diesem Buch sollen zeigen, wie diese Aufgabe im allgemeinen gelostwird. Die Reihenfolge der geschilderten Bearbeitungsschritte ist zwar typisch, sie istaber keinesfalls zwingend. Hier kann nur das Grundgerust angedeutet werden.

1.4

Ideenfindung

In der Literatur sind eine Unzahl von Methoden zur kreativen Ideenfindung [Schlick-supp 1977, Bornecke 2000] zu finden (Tab. 1-4). Bei der taglichen Routinearbeit fehltes an der notwendigen Zeit, sich um wichtige Dinge wie die Ideenfindung fur neueVerfahren und Produkte zu kummern, man ist mit den dringenden Arbeiten vollaufbeschaftigt. Daher sollte man sich bei der Jahresplanung im voraus Termine z. B. fur:

* den Besuch von Tagungen, die thematisch nicht nur in das eigene Spezialgebietfallen

* den Besuch von Forschungseinrichtungen (Institute, Universitaten u. a.)* die Exkursion zu Firmen* regelmaßige Diskussionen mit Planern und Vertriebsleuten

1 Einfuhrung12

festlegen und bei diesen Veranstaltungen durch intensive Gesprache Ideen fur dieeigene Arbeit sammeln und spater bewerten. Auch kann man durch regelmaßigesSchmokern (browsen) in fachfremder Literatur Anregungen finden.

Tab. 1-4 Methoden zur kreativen Ideenfindung [Schlicksupp 1977, B€oornecke 2000, Kraus 2001].

Methodengruppe Verfahrensmerkmale Wichtige Repr€aasentanten

Brainstorming und

seine Abwandlungen

Ungehemmte Diskussion, in der

keine Kritik ge€uubt werden darf;

phantastische Einf€aalle und spontane

Assoziationen sollen ge€aaußert werden

* Brainstorming* Diskussion 66

Brainwriting-Methoden Spontanes Niederschreiben von Ideen

auf Formularen oder Zetteln; Umlauf

von Formularen

* Merkmale 635* Brainwriting-Pool* Ideen-Delphi

Methoden der sch€oopfe-

pferischen Orientierung

Befolgung bestimmter Prinzipien

bei der L€oosungssuche

* heuristische Prinzipien* Bionik

Methoden der sch€oopfe-

pferischen Konfrontation

Stimulierung der L€oosungsfindung durch

Auseinandersetzung (Konfrontation)

mit Bedeutungs-Inhalten, die scheinbar

nicht mit dem Problem zusammenh€aangen

* Synektik* BBB-Methode* Semantische Intuition

Methoden der systema-

tischen Strukturierung

Aufteilung des Problems in Teil-

komplexe; L€oosung der Teilprobleme

und Zusammenf€uugen zu einer Gesamt-

l€oosung; Systematisierung von L€oosungs-

sungsm€ooglichkeiten

* Morphologischer Kasten* Morphologisches Taublau* Sequentielle Morphologie* Probleml€oosungsbaum

Methoden der systema-

tischen Problem-

spezifizierung

Aufdeckung der Kernfragen eines

Problems oder Problembereichs durch

systematisches und hierarchisch-

strukturierendes Vorgehen

* Progressive Abstraktion* K-J-Methode* Hypothesen-Matrix* Relevanzbaum

1.4 Ideenfindung 13