Anhang: Klausuraufgaben zur Chemischen Reaktionstechnik 1 Aufgabe 1: Die Gleichgewichtsreaktionen (1) A = B mit Gleichgewichtskonstante K 1 (2) B = 2C mit Gleichgewichtskonstante K 2 finden ausgehend von n A0 = 10 mol reinem A beim Gesamtdruck P = 150 kPa statt. Im Gleichgewicht ergibt sich der Umsatzgrad X A = 0,89 und die Ausbeute Y B,A = 0,79. a) Die Werte der Gleichgewichtskonstanten K 1 und K 2 sind zu berechnen. b) Der Massenanteil w A im Gleichgewicht (M A = 162 g/mol) ist zu bestimmen. c) Wie groß ist die Gleichgewichtskonstante K 3 der Reaktion A = 2C ? Ergebnis: a) K 1 = 7,182; K 2 = 6,904 kPa. b) w A = 0,11. c) K 3 = 49,587 kPa. Aufgabe 2: Bei der Gleichgewichtsreaktion 2A = B + C, die in der Gasphase stattfindet, werden die Stoffmengen n A0 = 10 mol, n B0 = n C0 = 0 eingesetzt. Die Gleichgewichtskonstante hat den Wert K = 65,61. Man berechne die Massen- anteile w i aller Komponenten im Gleichgewicht, wenn die molaren Massen M A = 81 g/mol und M B = 118 g/mol betragen. Ergebnis: w 1 = 0,058; w 2 = 0,686. Aufgabe 3: Ein Abgas, das 160 mol/h Methan und 90 mol/h Kohlenmonoxid ent- hält, soll mit Luft (ideales Gas mit 20,5 Vol.-% O 2 , 79,5 Vol.-% N 2 ) vollständig verbrannt werden. a) Welcher Luftvolumenstrom (bei Normalbedingungen) ist stöchiometrisch erforderlich? b) Welche Zusammensetzung in Vol.-% hat das Verbrennungsgas? c) Die Temperatur T des Verbrennungsgases ist zu bestimmen. 1 Die folgenden Aufgaben wurden in Klausuren im Rahmen der Vorlesung Chemische Reaktions- technik in den Studiengängen Chemie bzw. Pharma- und Chemietechnik der Technischen Fach- hochschule Berlin gestellt.
18
Embed
Anhang: Klausuraufgaben zur Chemischen Reaktionstechnik978-3-8351-9097-9/1.pdf · Anhang: Klausuraufgaben zur Chemischen Reaktionstechnik1 Aufgabe 1: Die Gleichgewichtsreaktionen
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Anhang: Klausuraufgaben zur Chemischen Reaktionstechnik1
Aufgabe 1: Die Gleichgewichtsreaktionen
(1) A = B mit Gleichgewichtskonstante K1
(2) B = 2C mit Gleichgewichtskonstante K2
finden ausgehend von nA0 = 10 mol reinem A beim Gesamtdruck P = 150 kPa statt. Im Gleichgewicht ergibt sich der Umsatzgrad XA = 0,89 und die Ausbeute YB,A = 0,79.
a) Die Werte der Gleichgewichtskonstanten K1 und K2 sind zu berechnen. b) Der Massenanteil wA im Gleichgewicht (MA = 162 g/mol) ist zu bestimmen. c) Wie groß ist die Gleichgewichtskonstante K3 der Reaktion A = 2C ?
Ergebnis: a) K1 = 7,182; K2 = 6,904 kPa. b) wA = 0,11. c) K3 = 49,587 kPa.
Aufgabe 2: Bei der Gleichgewichtsreaktion 2A = B + C, die in der Gasphase stattfindet, werden die Stoffmengen nA0 = 10 mol, nB0 = nC0 = 0 eingesetzt. Die Gleichgewichtskonstante hat den Wert K = 65,61. Man berechne die Massen-anteile wi aller Komponenten im Gleichgewicht, wenn die molaren Massen MA = 81 g/mol und MB = 118 g/mol betragen.
Ergebnis: w1 = 0,058; w2 = 0,686.
Aufgabe 3: Ein Abgas, das 160 mol/h Methan und 90 mol/h Kohlenmonoxid ent-hält, soll mit Luft (ideales Gas mit 20,5 Vol.-% O2 , 79,5 Vol.-% N2 ) vollständig verbrannt werden.
a) Welcher Luftvolumenstrom (bei Normalbedingungen) ist stöchiometrisch erforderlich?
b) Welche Zusammensetzung in Vol.-% hat das Verbrennungsgas? c) Die Temperatur T des Verbrennungsgases ist zu bestimmen.
1 Die folgenden Aufgaben wurden in Klausuren im Rahmen der Vorlesung Chemische Reaktions-technik in den Studiengängen Chemie bzw. Pharma- und Chemietechnik der Technischen Fach-hochschule Berlin gestellt.
Anhang: Klausuraufgaben zur Chemischen Reaktionstechnik 269
Ergebnis: a) V = 1780 Nm3/h. b) CO2 12,59 Vol.-%, H2O 16,12 Vol.-%, N2 71,29 Vol.-%. c) T =3236 K.
Aufgabe 4: 1,6 kmol/h Benzol und 0,9 kmol/h Toluol werden in 800,0 kmol/h Luft (ideales Gas mit 20,5 Vol.-% O2 , 79,5 Vol.-% N2 ) verdampft und voll-ständig verbrannt. Man bestimme:
a) die Stoffmengenströme in aller Komponenten im Abgas;
b) die Abgaszusammensetzung in Vol.-%;c) die Abgastemperatur T;d) den Volumenstrom des Abgases.
Ergebnis: a) CO2 15,9 kmol/h, H2O 8,4 kmol/h, O2 143,9 kmol/h, N2 636,0 kmol/h. b) CO2 1,98
Vol.-%, H2O 1,04 Vol.-%, O2 17,89 Vol.-%, N2 79,08 Vol.-%. c) T = 809,5 K. d) V = 53418 Nm3/h.
Aufgabe 5: Bei der Gleichgewichtsreaktion A = B, die in der Gasphase stattfindet, werden die Stoffmengen nA0 = 2,0 mol, nB0 = 0,1 mol eingesetzt. Die fehlenden Werte der Tabelle sind zu bestimmen. Für die Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichtskonstante gelte )/exp(0 RTEKK .
Temperatur T, K 400 500 GG-Konstante K, - 19,89 7,00 nA
*, mol nB
*, mol 1,198
Ergebnis: Temperatur T, K 400 500 456,01 GG-Konstante K, - 1,328 19,89 7,00 nA
*, mol 0,902 0,101 0,263 nB
*, mol 1,198 1,999 1,838
Anhang: Klausuraufgaben zur Chemischen Reaktionstechnik 270
Aufgabe 6: In einem kontinuierlich und stationär betriebenen ideal durchmisch-ten Rührkessel findet die irreversible bimolekulare Reaktion A1 + A2 A3, r = kc1c2, unter isothermen Bedingungen statt. Die fehlenden Werte der Tabelle sind zu berechnen.
Aufgabe 7: In einem kontinuierlich, stationär und isotherm betriebenen idealen Rührkessel findet die Gleichgewichtsreaktion A1 A2 , r = khin c1 krück c2, statt.
a) Die fehlenden Tabellenwerte sind zu ergänzen. b) Die Werte der Geschwindigkeitskonstanten khin und krück sind zu berechnen.
Aufgabe 8: In einem stationär und isotherm betriebenen idealen Strömungsrohr mit dem Durchmesser dR = 0,05 m und der Länge L = 50 m läuft die irreversible Reaktion zweiter Ordnung A 3B, r = kcA
2, ab. Welche Reaktionstemperatur Tist zu wählen, um eine Produktion von Bn = 0,24 kmol/h bei einem Umsatzgrad
Anhang: Klausuraufgaben zur Chemischen Reaktionstechnik 271
Aufgabe 9: Bei der Zerfallsreaktion A ... werden zu vorgegebenen Werten der Konzentration cA und Temperatur T die in der Tabelle angeführten Werte der Reaktionsgeschwindigkeit r ermittelt.
a) Zu bestimmen sind Stoßfaktor k0, Aktivierungsenergie E und Reaktions-ordnung n des Geschwindigkeitsansatzes n-ter Ordnung n
ARTE cekr /
0 .
b) Welchen Wert hat die Reaktionsgeschwindigkeit für cA = 0,9 mol/l bei T =100 °C ?
Messwert cA [mol/l] T [°C] r [ mol / (l min)] 1 0,85 77 15,8 2 0,85 127 109,0 3 1,05 77 20,6
Lösungshinweis: da jeweils nur 2 verschiedene cA- und T-Werte vorliegen, berechnet man die Parameter aus einem linearen Gleichungssystem. Ergebnis: a) k0 = 9,999 10+7, E = 44996 kJ/kmol, n = 1,2554. b) r = 44,01 mol/(l min).
Aufgabe 10: Die Folgereaktion A1 A2, r1 = k1c1, A2 A3, r2 = k2c2, wird in einem kontinuierlich, stationär und isotherm betriebenen idealen Rührkessel so durchgeführt, dass A2 in maximaler Konzentration c2max vorliegt.
a) Umsatzgrad X1 und Ausbeute Y21 sind zu berechnen für die Werte: Temperatur T = 394 K; Stoßfaktoren k10 = 2,60 106 h 1, k20 = 1,36 104 h 1;Aktivierungsenergien E1 = 43,1 kJ/mol, E2 = 39,6 kJ/mol; Eingangs-konzentrationen c10 = 1,54 kmol/m3 , c20 = c30 = 0.
b) Welche Produktion 2n ergibt sich für das Reaktionsvolumen V = 30 m3?
c) Welcher Volumenstrom V und welcher Stoffmengenstrom 10n liegen am Re-
aktoreingang vor?
Ergebnis: a) X1 = 0,8902; Y21 = 0,7924. b) 2n =22,68 kmol/h. c) V = 18,59 m3/h; 10n = 28,62
kmol/h.
Aufgabe 11: Die Reaktion A1 3A2 + A3,nkcr 1 , wird isotherm in idealen Re-
aktoren mit dem Reaktionsvolumen V = 0,22 m³ so durchgeführt, dass der Umsatzgrad X1 = 0,97 und die Produktion 2n = 2,0 kmol/h vorliegen. Welche
Reaktionstemperatur T ist zu wählen für
a) ein kontinuierlich betriebenes Strömungsrohr? b) einen absatzweise betriebenen Rührkessel (Rüstzeit tV = 0,30 h)? c) einen kontinuierlich betriebenen Rührkessel?
Anhang: Klausuraufgaben zur Chemischen Reaktionstechnik 272
Daten: Stoßfaktor k0 = 1,9 1015 (kmol/m3)1-n h-1
Aktivierungsenergie E = 105,0 kJ/mol; Reaktionsordnung n = 1,09 Anfangskonzentrationen c10 = 2,2 kmol/m³, c20 = 0, c30 = 0
Ergebnis: a) T = 377,17 K. b) T = 383,53 K. a) T = 405,97 K.
Aufgabe 12: Die irreversible bimolekulare Reaktion A1 + A2 A3, r = kc1c2, wird unter isothermen Bedingungen in zwei gleichgroßen, hintereinander geschalteten kontinuierlich betriebenen idealen Rührkesseln (Verweilzeit pro Kessel = 2,0 min) durchgeführt.
a) Zu berechnen sind die Konzentrationen c1,1, c2,1, c3,1 der Komponenten am Ausgang des ersten Kessels sowie die Konzentrationen c1,2, c2,2, c3,2 am Aus-gang des zweiten Kessels.
b) Welcher Gesamtumsatzgrad X1 wird erhalten?
Daten: Eingangskonzentrationen 1. Kessel: c10 = 1,51 kmol/m3, c20 = 1,41 kmol/m3, c30 = 0, Reaktionstemperatur T = 85 °C
Aufgabe 13: Um die irreversible Reaktion 2. Ordnung A ..., r = kcA2, durchzu-
führen, werden ein Strömungsrohr (Verweilzeit Str = 0,30 h) und ein Rührkessel (Verweilzeit Rk = 1,00 h) benutzt. Beide Reaktoren verhalten sich ideal und wer-den kontinuierlich, stationär und isotherm betrieben. Für welche Art der Hinter-einanderschaltung der Reaktoren errechnet sich der höchste Umsatzgrad XA :
a) erst Strömungsrohr (= Reaktor 1), dann Rührkessel (= Reaktor 2)? b) erst Rührkessel (= Reaktor 1), dann Strömungsrohr (= Reaktor 2)?
cA0 cA1 cA2
Reaktor 1 Reaktor 2
Daten: Eingangskonzentration cA0 = 1,40 kmol/m3
Stoßfaktor k0 = 2,331 1015 m3/(kmol h) Aktivierungsenergie E = 110,0 kJ/mol Temperatur T = 402 K
Ergebnis: a) XA = 0,9253. a) XA = 0,8957.
Literaturverzeichnis
Kapitel 1
[1] Aris, R.: Introduction to the Analysis of Chemical Reactors. Englewood Cliffs: Prentice Hall Inc. 1965.
[2] Autorenkollektiv: Reaktionstechnik I. Leipzig: Dt. Verlag für Grundstoff-industrie 1985.
[3] Autorenkollektiv: Reaktionstechnik II (Aufgabensammlung). Leipzig: Dt. Verlag für Grundstoffindustrie 1985.
[4] Autorenkollektiv: Verfahrenstechnische Berechnungsmethoden Band 1-8. Weinheim: Verlag Chemie 1986.
[10] Fitzer, E., Fritz, W., Emig, G.: Technische Chemie: Eine Einführung in die Chemische Reaktionstechnik (4. Aufl.). Berlin: Springer-Verlag 1995.
[11] Froment, G. F., Bischoff, K. B.: Chemical Reactor Analysis and Design. New York: Wiley & Sons 1990.
[12] Hagen, J.: Chemische Reaktionstechnik. Weinheim: Verlag Chemie 1992. [13] Hill, C. G.: An Introduction to Chemical Engineering Kinetics and Reactor
Design. New York: Wiley & Sons 1977. [14] Levenspiel, O.: Chemical Reaction Engineering (3. Aufl.). New York:
Wiley & Sons 1999. [15] Levenspiel, O.: The Chemical Reactor Omnibook. Corvallis: OSU Book
Stores 1984. [16] Müller-Erlwein, E.: Computeranwendungen in der Chemischen Reak-
tionstechnik. Weinheim: Verlag Chemie 1991. [17] Perry, R. H., Green, D. W.: Perry's Chemical Engineers' Handbook. 7th
Edition Singapur: McGraw-Hill 1997.
Literaturverzeichnis274
[18] Smith, J. M.: Chemical Engineering Kinetics. Tokio: McGraw-Hill Ko-gakusha 1979.
[19] Ullmanns Enzyklopädie der Technischen Chemie. 4. Aufl. Weinheim: Verlag Chemie 1972 u. f.
[20] Weissermel, K., Arpe, K. J.: Industrielle Organische Chemie (5. Aufl.). Weinheim: Verlag Chemie 1996.
[21] Westerterp, K. R., van Swaaij, W. P. M., Beenackers, A.: Chemical Reac-tor Design and Operation. New York: Wiley & Sons 1984.
[2] Lang, S.: Introduction to Linear Algebra. Berlin: Springer-Verlag 1986. [3] Moore, W. J., Hummel, D. O.: Physikalische Chemie (4. Aufl.). Berlin: de
Gruyter 1996. [4] Müller-Erlwein, E.: Computeranwendungen in der Chemischen Reak-
tionstechnik. Weinheim: Verlag Chemie 1991. [5] Reid, R. C., Prausnitz, J. M., Sherwood, T. K.: The Properties of Gases
and Liquids. New York: McGraw-Hill 1977. [6] VDI-Wärmeatlas (8. Aufl.). Düsseldorf: VDI-Verlag 1997. [7] Wedler, G.: Lehrbuch der Physikalischen Chemie. Weinheim: Wiley-VCH
2004.
Kapitel 3
[1] Atkins, P. W.: Physical Chemistry. Oxford: Oxford University Press 2002. [2] Baerns, M., Hofmann, H., Renken, A.: Chemische Reaktionstechnik (2.
Aufl.). Weinheim: Wiley-VCH 1992. [3] Daubert, T. E.: Chemical Engineering Thermodynamics. New York:
McGraw-Hill 1985.
Literaturverzeichnis 275
[4] De Groot, S. R., Mazur, P.: Grundlagen der Thermodynamik irreversibler Prozesse. Mannheim: B.I.-Verlag 1969.
[5] Moore, W. J., Hummel, D. O.: Physikalische Chemie (4. Aufl.). Berlin: de Gruyter 1996.
[6] Müller-Erlwein, E.: Computeranwendungen in der Chemischen Reak-tionstechnik. Weinheim: Verlag Chemie 1991.
[7] Press, W. H., Flannery, B. P., Teukolsky, S. A., Vetterling, W. T.: Nume-rical Recipes - The Art of Scientific Computing. Cambridge: Cambridge University Press 1988.
[8] Reid, R. C., Prausnitz, J. M., Sherwood, T. K.: The Properties of Gases and Liquids. New York: McGraw-Hill 1977.
[9] Stoer, J., Bulirsch, R.: Introduction to Numerical Analysis. Berlin: Sprin-ger-Verlag 1980.
[10] Storey, S. H., van Zeggeren, F.: The Computation of Chemical Equilibria. Cambridge: Cambridge University Press 1970.
[11] VDI-Wärmeatlas (8. Aufl.). Düsseldorf: VDI-Verlag 1997. [12] Weast, R. C. (Hrsg.): Handbook of Chemistry and Physics, Boca Raton,
Florida: CRC Press Inc. 1989. [13] Wedler, G.: Lehrbuch der Physikalischen Chemie. Weinheim: Wiley-VCH
2004.[14] Weissermel, K., Arpe, K. J.: Industrielle Organische Chemie (5. Aufl.).
Weinheim: Verlag Chemie 1996.
Kapitel 4
[1] Autorenkollektiv: Verfahrenstechnische Berechnungsmethoden Band 1-8. Weinheim: Verlag Chemie 1986.
[2] Bailey, J. E., Horn, F. J. M.: Chem. Eng. Sci. 27 (1972) 109. [3] Büchner, W., Schlieps, R., Winter, G., Büchel, K. H.: Industrielle Anor-
[1] Braun, M.: Differentialgleichungen und ihre Anwendungen. Berlin: Springer-Verlag 1979.
[2] Courant, R., Hilbert, D.: Methoden der mathematischen Physik, Band II. Berlin: Springer-Verlag 1968.
[3] Crank, J.: The Mathematics of Diffusion. Oxford: Clarendon Press 1986. [4] Himmelblau, D. M., Bischoff, K. B.: Process Analysis and Simulation.
New York: Wiley & Sons 1968. [6] Truckenbrodt, E.: Lehrbuch der angewandten Fluidmechanik. Berlin:
Springer-Verlag 1983.
Literaturverzeichnis 277
[7] Unger, J.: Konvektionsströmungen. Stuttgart: Teubner-Verlag 1988. [8] Wen, C. Y., Fan, L. T.: Models for Flow Systems and Chemical Reactors.
New York: Marcel Dekker, 1975. [9] Zurmühl, R.: Praktische Mathematik für Ingenieure und Physiker. Berlin:
Springer-Verlag 1984.
Kapitel 7
[1] Froment, G. F., Bischoff, K. B.: Chemical Reactor Analysis and Design. New York: Wiley & Sons 1990.
[2] Kamke, E.: Differentialgleichungen. Stuttgart: Teubner-Verlag 1983. [3] Müller-Erlwein, E.: Computeranwendungen in der Chemischen Reak-
tionstechnik. Weinheim: Verlag Chemie 1991. [4] Press, W. H., Flannery, B. P., Teukolsky, S. A., Vetterling, W. T.: Nume-
rical Recipes - The Art of Scientific Computing. Cambridge: Cambridge University Press 1988.
[5] Schöne, A. (Hrsg.): Simulation technischer Systeme (Sammelwerk in 3 Bänden). München: Carl Hanser Verlag 1976.
[6] Stoer, J., Bulirsch, R.: Introduction to Numerical Analysis. Berlin: Sprin-ger-Verlag 1980.
Kapitel 8
[1] Gray, P., Scott, S. K.: Chemical Oscillations and Instabilities. Oxford: Clarendon Press 1990.
[2] Perlmutter, D. D.: Stability of Chemical Reactors. Englewood Cliffs: Prentice-Hall 1972.
[3] Press, W. H., Flannery, B. P., Teukolsky, S. A., Vetterling, W. T.: Nume-rical Recipes - The Art of Scientific Computing. Cambridge: Cambridge University Press 1988.
Literaturverzeichnis278
Kapitel 9
[1] Astarita, G.: Mass Transfer with Chemical Reaction. Amsterdam: Elsevier 1967.