Kohlekraftwerk Die Elementaranalyse einer wasser- und aschefreien (waf)-kohle ergab folgendes:

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1 Aufgabe 1 : ( = 16 Punkte) Kohlekraftwerk Die Elementaranalyse einer wasser- und aschefreien (waf)-kohle ergab folgendes: Element Masseanteil Kohlenstoff x C = 0,845 Wasserstoff x H = 0,053 Sauerstoff x O = 0,080 Stickstoff x N = 0,013 Schwefel x S = 0, Erstellen Sie eine Gleichung zur Berechnung der fiktiven Molmasse der Kohle aus den gegebenen Masseanteilen und berechnen Sie diesen Wert mit den gegebenen Daten. 1.2 Geben Sie die Stoffmengeanteile der in der Kohle enthaltenen Elemente und die Summenformel (C n H m O x N y S z ) der Kohle an. 1.3 Erstellen Sie im Sinne der Verbrenungsrechnung eine allgemeine Verbrennungsgleichung für den Brennstoff C n H m O x N y S z für vollkommene und vollständige Verbrennung. 1.4 Berechnen Sie im Sinne der Verbrennungsrechnung die jeweils auf die Brennstoffmenge bezogene, spezifische Stoffmenge an Sauerstoff und Luft für eine vollkommene Verbrennung. (Rechnen Sie mit gerundeter Luftzusammen- setzung). 1.5 Erstellen Sie eine Massestrombilanz für den Brennkammerteil des Kessels und wenden Sie den 1. Hauptsatz auf den Brennkammerteil an (Bilanz der thermischen Energie) und fertigen Sie jeweils eine Skizze an, in der Sie die Masseströme und die Energieströme darstellen. Geben Sie den spezifischen, auf den Kohlemassestrom bezogenen Abgasmassestrom an. (Rechnen Sie mit einer Luftzahl λ = 1,1). 1.6 Berechnen Sie den notwendigen Massestrom der waf-kohle, wenn die Brennkammer an den Wasserkreislauf einen Wärmestrom von 750 MW abgeben soll. Treffen Sie eine Annahme für die Abgastemperatur und begründen Sie Ihre Wahl. Daten: Heizwert der waf- Kohle H U : 30 MJ/kg Seite 3

2 Aufgabe 2 : ( = 16 Punkte) Wärmedurchgang In einem zylindrischen Reaktor findet eine chemische Reaktion A --> B, 0.-Ordnung als homogene Gasphasenreaktion statt. Die bei der exothermen Reaktion gebildete thermische Energie wird insgesamt über die Mantelfläche an die Umgebung abgegeben. Der Reaktor kann als ideal durchmischt betrachtet werden. 2.1 Aus welchen Teilvorgängen setzt sich der Wärmedurchgang zusammen? Von welchen Einflussgrössen werden diese Teilvorgänge beeinflusst? Schreiben Sie die Berechnungsgleichungen für die einzelnen Vorgänge und stellen Sie die thermische Energiebilanz für den stationären Zustand auf. 2.2 Berechnen Sie die Reaktortemperatur T R. Der durch die exotherme Reaktion 0.-Ordnung gebildete thermische Energiestrom beträgt Q = 15,645 kw (Wandlungsstrom). 2.3 Berechnen Sie den vorliegenden Wärmedurchgangskoeffizienten k für die Mantelfläche. Dabei soll angenommen werden, dass der Wärmedurchgang ausschließlich über die Mantelfläche erfolgt und der Mantel zur Vereinfachung als ebene Platte betrachtet werden kann. Bei der Berechnung der Fläche für den Wärmedurchgang wird von dem Innendurchmesser D i ausgegangen. 2.4 Wählen Sie für die genannten Voraussetzungen das geeignete Isolationsmaterial mit der erforderlichen Wärmeleitfähigkeit λ 2 bei gegebener Dicke s Berechnen Sie das Temperaturprofil in der Reaktorwand und stellen Sie dies in einem geeigneten Diagramm grafisch dar. Seite 4

3 Daten: Rohrinnendurchmesser D i : Rohraussendurchmesser D a : Rohrhöhe H: Zylinderwandstärken s 1 : Zylinderwandstärken s 2 : Zylinderwandstärken s 3 : 2500 mm 2580 mm 2400 mm 10 mm 20 mm 10 mm Reaktionskonstante k 0 : 0,4 /(m 3 s) Aktivierungsenergie E a : 25 / Reaktionsenergie R U 0 : 142,417 / Wärmeübergangskoeffizienten innen α i : 2500 W/(m 2 K) Wärmeübergangskoeffizienten aussen α a : 25 W/(m 2 K) Wärmeleitkoeffizienten λ 1 und λ 3 : 50 W/(m K) Umgebungstemperatur T u : 20 C Seite 5

4 Aufgabe 3 : ( = 23 Punkte) Verbrennung von Schwefel Zur Herstellung von Schwefelsäure wird elementarer Schwefel mit Luft verbrannt. Das entstehende SO 2 wird mit dem Restsauerstoff nach dem Doppelkontaktverfahren mit Zwischenabsorption katalytisch zu SO 3 oxidiert (siehe Verfahrensfließbild). Im Absorptionsturm erhält man dann durch Absorption des SO 3 in Wasser die gewünschte Schwefelsäure. Abb.: Verfahrensfließbild des Doppelkontaktverfahrens mit Zwischenadsorption o S + O 2 SO 2 R H 298K = 296, o SO O, 2 SO 3 R H 298K = 94, o SO 3 + H 2 O l H 2 SO 4, l R H 298K = 130, Wie groß ist die Luftüberschusszahl λ bei der Schwefelverbrennung, wenn das Produktgas 10,5 Vol.-% SO 2 enthält? Wie setzt sich das Produktgas der S-Verbrennung zusammen? (Rechnen Sie mit gerundeter Luftzusammensetzung und idealem Gasverhalten) 3.2 Warum wird mit Luftüberschuss gefahren? Seite 6

5 3.3 Berechnen sie die adiabatische Ofentemperatur unter der Voraussetzung, dass Schwefel und Luft mit 25 C zugeführt werden und die bei der Verbrennung frei werdende Wärme nur zur Aufheizung des Produktgases verwendet wird. 3.4 Der Gleichgewichtskoeffizient K p der SO 2 -Oxidation kann durch folgende Zahlenwertgleichung aus der Temperatur berechnet werden: 5186, 4 logk p = , 611 logt 675, (T wird in K eingesetzt) T Welcher Druck muss im Hordenreaktor vorliegen, damit der Umsatzgrad von SO 2 im Gleichgewicht 98,6 % erreichen kann? (Rechnen sie mit einem Gasgemisch, das im Eintritt 10 Vol.-% SO 2, 10 Vol.-% O 2 und 80 Vol.-% N 2 enthält und den Reaktor mit 450 C verlässt.) 3.5 Leiten Sie einen Ausdruck zur Berechnung du SO2 /dt her und bestimmen Sie dessen Wert. Benutzen Sie gegebenenfalls Vereinfachungen und begründen Sie diese. Stellen Sie den oben gezeigten Prozess in einem geeigneten Diagramm dar und zeigen Sie den Einfluss der Zwischenabsorption. 3.6 Schätzen Sie den Einfluss der Zwischenabsorption ab, indem Sie die Differenz der Gleichgewichtstemperaturen berechnen. Nehmen Sie an, dass der Umsatz nach der zweiten Horde bei 50 % liegt und 90 % des gebildeten SO 3 absorbiert werden. Tragen Sie die neuen Gleichgewichtspunkte in das Diagramm aus Aufgabe 3.5 ein. Seite 7

6 Aufgabe 4 : ( = 22 Punkte) Steamreforming / Gaskonditionierung In einem Chemieunternehmen werden diverse Kunststoffe, wie zum Beispiel Polyurethane, hergestellt, welche in lichtbeständigen Lacksystemen enthalten sind. Diese Polyurethane entstehen durch Polyaddition aus aliphatischen Diisocyanaten (ADI) und Diolen. Das Unternehmen hat einen Bedarf an Synthesegas (CO + 3H 2 ) von m 3 N /h, unter anderem zur CO 2 -freien Synthese von Phosgen (COCl 2 ), welches für die Herstellung von Diisocyanaten benötigt wird. 4.1 Das Synthesegas wird durch allothermes Steamreforming erzeugt: CH 4 + H 2 O CO+ 3H 2 R H = Beim Reforming wird von einem Gasgemisch, das 40 Vol.-% Methan und 60 Vol.-% Wasserdampf enthält, ausgegangen. Im Reformer herrscht ein Druck von 20 bar. Berechnen Sie die notwendige Temperatur im Reformer, damit ein Gleichgewichtsumsatz bezüglich des Methans von 91 % erreicht werden kann und geben Sie die Zusammensetzung des unter dieser Annahme erzeugten Synthesegases an. (Rechnen Sie mit idealem Gasverhalten). 4.2 Zur Erzeugung der Reaktionswärme im Steam-Reformer wird Erdgas mit 85 Vol.-% CH 4 und 15 Vol.-% N 2 überstöchiometrisch mit Luft verbrannt. CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O R H = Berechnen Sie den Volumenstrom an Erdgas mit der o.g. Zusammensetzung, dessen Verbrennungswärme die Reaktionsenthalpie nach 4.1 für einen Synthesegasstrom von m 3 N /h deckt. Reicht dieser Gasstrom tatsächlich aus? (Begründen Sie Ihre Antwort). 4.3 Zeichnen Sie das Grundfließbild ausgehend jeweils von einer Erdgas- und einer Dampf-Hochdruckleitung bis zum Eingang der Phosgen-Synthese, einschließlich möglicher Nebenproduktgewinnung. 4.4 Berechnen Sie die produktionsabhängigen Betriebskosten der Synthesegasanlage mit dem o.g. Produktionsstrom und geben Sie das Ergebnis als zeitund produktspezifischen Wert an. Gehen Sie davon aus, dass die Synthesegasanlage im Dauerbetrieb läuft und für die Betreuung der Anlage eine Führungskraft und ein Schichtarbeitsplatz mit 5 Besetzungen vorgesehen sind. Seite 8

7 Daten: Freie Standardbildungsenthalpien B G bei Reaktionstemperatur: CH 4 : H 2 O: CO: H 2 : 41,6 / -181,6 / -217,8 / 0 / Seite 9

8 Aufgabe 5 : ( = 17 Punkte) Synthesegas / Methanol Die Synthesegaserzeugung gehört zu den wichtigsten Verfahren in der chemischen Industrie, da ein Reihe von wichtigen Grundchemikalien wie z.b. Methanol aus Synthesegas hergestellt wird. 5.1 Nennen Sie drei weitere, in der Klausur noch nicht genannte Verfahren, bei denen Synthesegas als Ausgangsstoff verwendet wird, und stellen Sie die Brutto-Reaktionsgleichungen auf. 5.2 Stellen Sie die eindimensionale differentielle Stoffbilanz (inkl. axialer Dispersion) für einen ideal durchströmten Rohrreaktor für eine beliebige Einsatzkomponente A auf. Nehmen Sie an, dass die Reaktion 1.-Ordnung sei. Leiten Sie aus der Bilanzgleichung die Kennzahlen Bo und Da her und nennen Sie die notwendigen Vereinfachungen. Bestimmen Sie die Berechnungsgleichung für den Umsatzgrad der Komponente A für den stationären Fall und unter der Annahme, dass man axiale Dispersion vernachlässigen darf. 5.3 Leiten Sie die van t Hoffsche Gleichung (Reaktionsisobare) her und stellen sie den Verlauf des Gleichgewichtskoeffizienten K p in Abhängigkeit von der Temperatur für die Dampfreformierung dar. Nennen Sie eventuell notwendige Vereinfachungen. 5.4 Durch eine CO-Konvertierung wird das für die Synthese benötigte H 2 /CO-Stoffmengenverhältnis eingestellt. Die Standardreaktionsenthalpie der Reaktion ist nur schwach temperaturabhängig und betrage konstant R H 298K = -41,2 /, die Standardreaktionsentropie betrage R S 298K = -42,1 J/*K. Berechnen Sie den Gleichgewichtskoeffizienten bei einer Reaktionstemperatur von 400 C. 5.5 Zeichnen Sie das Verahrensfliessbild der Methanolsynthese. 5.6 Stellen Sie jeweils eine Möglichkeit zur Regelung des Drucks im Kopf und der Temperatur im Sumpf einer Destillationskolonne dar. Was bedeuten in der MSR-Technik die Bezeichnungen FFC, PDI und QR? Seite 10

9 Allgemeine Daten : gerundete Molmasse M C = 12 g/ M H2 = 2 g/ M O2 = 32 g/ M N2 = 28 g/ M S = 32 g/ Stoffdaten (alle Werte bei 298 K): B H in / B G in / S in J/*K C p,m in J/*K CO -110,53-137,17 197,67 29,14 CO 2-393,51-394,36 213,74 37,11 CH 4-74,81-50,72 186,26 35,31 H ,68 28,82 H 2 O (g) -241,82-228,57 188,83 33,58 H 2 O (l) -285,83-237,13 69,91 75,29 H 2 S -20,63-33,56 205,79 34,23 N ,61 29,13 O ,14 29,36 SO 2-296,83-300,19 248,22 39,87 SO 3-395,72-371,06 256,76 50,67 Wärmeleitkoeffizient für Glaswolle λ: 0,035 W/(m K) Wärmeleitkoeffizient für Steinzeug λ: 0,47 W/(m K) Wärmeleitkoeffizient für Stahlbeton λ: 1,5 W/(m K) 3 Erlös für H 2 : 0,20 DM/ m N Preis für Dampf: 20 DM/t Preis für Erdgas: 0,32 DM/m 3 N Lohn- und Nebenkosten für eine Führungskraft: Lohn- und Nebenkosten für einen Schichtarbeiter: DM/a*Person DM/a*Person Seite 11