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1 Institut für Chemie und Bioingenieurwissenschaften Chemieingenieurwissenschaften I Prof. W. J. Stark Prüfung FS 2008 Chemieingenieurwissenschaften, 4. Semester Bitte nehmen Sie sich Zeit, die Prüfung VORHER ganz durchzulesen. Sie müssen NICHT ALLE Aufgaben für das Erreichen der Maximalnote lösen. Jedoch werden alle von Ihnen abgegebenen Aufgaben korrigiert und bewertet. Versuchen Sie effizient zuerst die einfachen Aufgaben zu lösen und beginnen Sie erst dann die grösseren Fragen. Nehmen Sie bitte für jede Aufgabe EIN NEUES BLATT und sortieren Sie diese bitte beim Abgeben der Reihe nach. Versichern Sie sich, dass sämtliche Blätter mit Ihrem Namen versehen sind. Reissen Sie das hinterste Blatt der Aufgabenstellung ab und verwenden Sie es als Deckblatt Ihrer Lösungen beim Abgeben. Vorgesehene Zeit: 90 Minuten Uhr Uhr HPH G3 Seite 1 von 11

2 Aufgabe 1: Einstiegsfragen (total 10 A) Wie wird die Verweilzeit eines Reaktors bestimmt und was bedeutet sie? (1 B) Welche sind die Vorteile eines Semi-Batch Reaktors? Nennen Sie zwei Vorteile. (1 C) Benötigen einen Batch und einen Rohrrektor (PFR), das gleiche Volumen um einen bestimmten Umsatz zu erreichen? Begründen Sie Ihre Antwort. (1 D) Sie entwickeln das thermische Reaktordesign einer irreversiblen, endothermen Reaktion, die in vier Rohrreaktor hintereinander stattfinden soll. Zwischen zwei Reaktoren wird die Reaktion durch einen Wärmeaustauscher auf die Anfangstemperatur gebracht. Wie sieht der X A -T Diagramm aus? (1 E) Wie bestimmt man den Stoffdurchgangskoeffizient eines Systems, wenn die dimensionslosen Kennzahlen Re, Pr und Nu bekannt sind? (1 F) Wie verändert sich die Reynoldszahl und der Druckabfall eines Rohrreaktors wenn der Durchmesser verdreifacht und die Rohrlänge verdoppelt wird? (1 G) Ihr Kollege schlägt vor, die Temperatur bei einer reversiblen, exothermen Reaktion zu erhöhen, um den Umsatz zu erhöhen. Hat er Recht? (1 H) Wie ändert sich die Reaktionsgeschwindigkeit eines porösen Katalysators mit steigender Temperatur? Begründen Sie Ihre Antwort anhand von einer Skizze. (1 I) Was für einen Einfluss hat die Vergrösserung der Porenlänge auf die Effizienz des Katalysators? (1 J) Wie ändert sich die Ausbeute (φ A ) einer seriellen Folgereaktion (A R S) mit steigendem Umsatz (X A ). Begründen Sie Ihre Antwort anhand einer Skizze. (1 Seite 2 von 11

3 Aufgabe 2: Industrielle organische Chemie (total 10 Morphin ist das Hauptalkaloid des Opiums und wird in der Medizin als eines der stärksten bekannten natürlichen Schmerzmittel eingesetzt. Eine Möglichkeit zur Herstellung bietet die Totalsynthese nach Barry M. Trost. (X) a) b),t= - 78 C c) d) T= RT e) T= 0 C f) g) h) Reflux, T= 150 C i) j) T= -78 C Trost, B. M., Tang, W., J. Am. Chem. Soc., 2002, 214, Trost, B. M., Tang, W., Angew. Chem. Int. Ed., 2002, 41, Seite 3 von 11

4 Erklärungen Reflux = Rückfluss, Reaktion wird bei Siedetemperatur des Lösungsmittels durchgeführt DIBAL = Diisobutylaluminiumhydrid DIAD = Diisopropylazodicarboxylat Dppp = 1,3-Bis(diphenylphosphino)propane A) Beurteilen Sie die Schritte a) g) und j) bezüglich ihrer Durchführbarkeit im grösseren Massstab. (4 B) Berechnen Sie für die Synthese nach Trost die Endausbeute an enantiomerreinem (-)Morphin ausgehend von (X) (s. Figure). Was fällt Ihnen auf? (1.5 Tipp: ee = enantiomeric excess Eine Probe mit 70% (-) und 30% (+) enantiomer hat ein enantiomeric excess von 40%. Dies entspricht also 40% reinem (-) und 60% racemischer Mischung ((30% (-) und 30% (+)). C) Skizzieren Sie einen geeigneten Reaktoraufbau für Schritt j), Begründung. (1 Seite 4 von 11

5 D) Betrachten Sie Schritt b). Was kann passieren, wenn nicht wasserfrei gearbeitet wird? (1 E) Welcher Schritt ist grosstechnisch am schwierigsten umzusetzen, weshalb? (1.5 F) Enantiomer reine Produkte zu synthetisieren kann teure Reagenzien und/oder kostspielige Aufreinigungsschritte (Chromatographie) mit sich ziehen. Weshalb sind Enatiomere so schwer zu trennen? (1 Seite 5 von 11

6 Aufgabe 3: Ideale Reaktoren (total 10 Als Chemieingenieur kommen Sie in eine Firma die ε-caprolactam (B) zur Polymerisation zu Nylon 6 herstellt. Als Ausgangsprodukt wird 2 Molares Cyclohexanonoxim (A) vorgelegt, welches durch eine Oleum (H 2 SO 4 ) katalysierte Reaktion 1. Ordnung zu B reagiert (ΔE a =60 kj/mol). Die Reaktion findet in einem kontinuierlich betriebenen IDR bei 105 C statt. Die Flussgeschwindigkeit beträgt 50 l/min. NOH O H 2 SO 4 NH A B Folgende Angaben werden Ihnen zur Verfügung gestellt: - Geschwindigkeitskonstante k = 6.63 h -1 - Volumen des IDR: V IDR : 1m 3 A) Berechnen Sie die Konzentration c B am Reaktor Ausgang und den Umsatz. (1 B) Skizzieren Sie das Konzentrationprofil (c/t Diagramm) der Edukte und Produkte im Gleichgewicht. (1 C) Um einen Umsatz von 99% zu erreichen können Sie verschiedene Parameter ändern, aufgrund der installierten Anlage entscheiden Sie sich die Flussgeschwindigkeit Q zu variieren. Wie gross ist Q für X=99%? Wie verändert sich die Produktionsrate? (2 D) Nennen Sie zwei weitere Parameter mit denen der Umsatz beeinflusst werden kann. (1 Seite 6 von 11

7 Nachdem Sie Ihre Ergebnisse mit dem realen Reaktor verglichen haben, stellen Sie fest, dass sowohl Umsatz als auch Ausgangskonzentration c B zu niedrig sind. Durch einen Mitarbeiters erfahren Sie, dass die Heizung im unteren Teil des Reaktors defekt ist und die Rektionsmischung im unteren Abschnitt nur 70 C hat, bei einer Konzentration c A1 = 1.5 mol/l. Um den realen Reaktor besser zu simulieren, können Sie untenstehende Figur 1 annehmen, indem die zwei verschiedenen Temperaturen als zwei separate IDR betrachtet werden. Q, c A, in V 0, c A, T 0 c A, c B Q 1, c A,1 Q 1, c A V 1, c A1, T 1 Figure 1: Schema der zwei IDRs E) Stellen Sie die Massenbilanzen für beide Reaktoren auf. (1 F) Berechnen Sie das Volumen der beiden Reaktoren falls der Umsatz am Ausgang des Reaktors X = 50 % beträgt. (4 Seite 7 von 11

8 Aufgabe 4: Parallele Reaktionen (total 10 Isophtalsäure wird durch Oxidation von meta-xylol produziert. Sie haben die Aufgabe aus dem ortho-xylol (A) möglichst viel meta-xylol (B) herzustellen. Als Nebenprodukt der Isomerisierung bildet sich zusätzlich para-xylol (C). Zu Beginn der katalysierten Isomerisierung liegt reines ortho-xylol (C A0 = 3 mol /l) vor. k 1 = 100 min -1 k 2 = 40 min -1 k 3 = 15 min -1 B k 1 k 3 A k 2 C A) Schreiben Sie für die Bildung der 3 verschiedenen Isomere von Xylol (A, B, C) die Differentialgleichungen auf. (1.5 B) Skizzieren Sie ein Konzentrations-Zeit Diagramm für die einzelnen Isomere. (1.5 C) Wieviel beträgt die maximal erreichbare Konzentration an meta-xylol und zu welchem Zeitpunkt wird diese erreicht? (4 D) Was für einen idealen Reaktortypen würden Sie vorschlagen, um in dieser Reaktion eine möglichst hohe Selektivität an meta-xylol (B) zu erhalten? Könnte eine höhere Selektivität durch Änderung der Konzentration oder der Temperatur erreicht werden? Begründen Sie Ihre Antwort. (1.5 E) Um die Selektivität an meta-xylol zu erhöhen verwenden Sie einen anderen kugelförmigen Katalysator (r =10 μm) und erhalten eine neue Reaktionskonstante k 1 = 500min -1. Der effektive Diffusionskoeffizient beträgt m 2 s -1. Muss man mit Massentransport-Limitierungen rechnen? (1.5 Seite 8 von 11

9 Aufgabe 5: Wärmetransport (total 10 Warmblüter sind Säugetiere, die ihre Körperkerntemperatur konstant halten, d.h. die Tiere müssen mit ihrer Energieproduktion die an die Umwelt verlorene Wärme kompensieren. Die Wärme wird durch vollständige Oxidation von Glucose im ganzen Tier homogen hergestellt. Durch Nahrungsaufnahme und Regulierung der Enzyme bleibt die Reaktionsgeschwindigkeit konstant. Ein Teil der zu Verfügung stehenden Energie wird für den Unterhalt des Organismus verwendet. Vereinfachung: Die Warmblüter sind als Kugeln anzunehmen. Annahmen: Temperatur im Tier: T 2 = 37 C Aussentemperatur: T 1 = 20 C Wärmeleitfähigkeit der Haut: λ H = 0.2 W/m/K Dichte der Luft: ρ = 1.2 kg/m 3 Dyn. Viskosität der Luft: μ = Pa s Wärmekapazität der Luft: c p = 1.0 kj/kg/k Wärmeleitfähigkeit der Luft: λ L = W/m/K Reaktionsgeschwindkeit von Glukose: r Glu = mol/l/s Reaktionsenthalpie für die vollständige Oxidation von Glukose: ΔH R = kj/mol 1/ 2 1/ 3 Nu 2 = 0.6*(Re) (Pr), Beziehung für eine angeströmte Kugel: wobei die charakteristische Länge der Durchmesser der Kugel ist. A) Nehmen Sie an, dass die Haut eine 2 mm dicke Schicht ist, welche die Kugel umgibt. Berechnen Sie den Wärmeübergangskoeffizienten h durch die Haut. (1 B) Erstellen Sie eine Energiebilanz im Gleichgewicht zwischen der produzierten Reaktionswärme, der abgehenden Wärme und der Energie für den Unterhalt. Inwiefern spielt die Grösse des Tieres eine Rolle? (2 C) Nehmen Sie an, dass die abgehende Wärme ein Sechstel der gesamthaft produzierten Energie beträgt. Wie gross ist der Radius des sphärischen Tiers? (2 D) Das kleinste bekannte Säugetier ist die Schweinsnasenfledermaus. Ihr Gewicht beträgt nur rund zwei Gramm. Kommentieren Sie anhand dieser Angabe das Seite 9 von 11

10 unter c) berechnete Resultat. Können Sie sich erklären, weshalb der afrikanische Elefant grössere Ohren hat als der indische? (1 E) Die oben genannte Fledermaus befindet sich morgens und abends jeweils 30 Minuten auf Beutejagd. Während dieser Zeit bewegt sie sich durchschnittlich mit 25 km/h. Die restliche Zeit sitzt sie still in einer Höhle (Raumtemperatur 20 C). Berechnen Sie den Wärmeverlust pro Tag unter Vernachlässigung der freien Konvektion. Wenn Sie Aufgabe c) nicht lösen konnten, nehmen Sie die Fledermaus als Kugel mit einem Durchmesser von 20 cm an. (4 Seite 10 von 11

11 Institut für Chemie und Bioingenieurwissenschaften Chemieingenieurwissenschaften I Prof. W. J. Stark Deckblatt Prüfung FS 08 Chemieingenieurwissenschaften, 4. Semester Name: Vorname: Immatrikulationsnummer: Punkte von Aufgabe 1 Aufgabe 2 Aufgabe 3 Aufgabe 4 Aufgabe 5 TOTAL 10 Punkte 10 Punkte 10 Punkte 10 Punkte 10 Punkte 50 Punkte Seite 11 von 11

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