Göksel Özuylasi Email: goeksel.oezuylasi@dlr.de Tel.: 0711 6862 8098 Torsten Methling Email: torsten.methling@dlr.de Tel.: 0711 6862 277 WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 1
Ziel: Grundlagen von Reaktionsgleichungen verstehen Elementerhaltung, Massenerhaltung stöchiometrische/vollständige Verbrennung Kenngrößen (Stöchiometriefaktor, Stoffmenge, Molenbruch, ) Luftzahl und Äquivalenzverhältnis WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 2
Notation Reaktionsgleichung Stoff bzw. Spezies i Stöchiometriefaktor der Spezies i auf der Eduktseite Stöchiometriefaktor der Spezies i auf der Produktseite Anzahl der Spezies Beispiel: 2H O 2H O WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 3
1. Aufgabe Propan (C 3 H 8 ) wird mit trockener Luft in einem solchen Mengenverhältnis vollständig verbrannt, dass nur Kohlendioxid (CO 2 ) und Wasser (H 2 O) entstehen. Dabei beträgt das Verhältnis von Sauerstoff zu Stickstoff in der Luft 21/79. a) Ergänzen Sie dazu die Stöchiometriefaktoren in folgender chemischen Gleichung: 1C H O N C H O N CO H O vollständige Verbrennung von Stoff x : Stoff x ist auf Produktseite nicht mehr vorhanden stöchiometrische Verbrennung: Weder Brennstoff, noch Oxidator übrig nach der Reaktion. WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 4
1C H O N CO H O N Lösung durch Elementerhaltung für Element j (C, O, H, N ): Anzahl der Atome von Element j in Spezies i : WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 6
1C H O N CO H O N : WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 7
1C H O N CO H O N : : WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 8
Zu Beginn beträgt die Masse von Propan bei dieser Verbrennung 1 kg. Bekannt sind die Molmassen der Elemente: 1, 12, 14, 16 b) Berechnen Sie die Stoffmengen und Massen der Spezies vor und nach der Verbrennung. durch Erweiterung mit konstantem Faktor bleibt Elementerhaltung erfüllt: WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 10
Extrafolie Erweiterung von Reaktionsgleichungen Reaktionsgleichungen können beliebig erweitert werden. Beispiel: 2H O 2H O 4H 2O 4H O 2 6,023 10 6,023 10 Teilchen 1mol Avogadro Konstante N A 4 mol H 2 mol O 4 mol H O Statt Stöchiometriefaktoren geben wir in der chemischen Gleichung Stoffmengen an. Die Elementerhaltung ist immer noch gültig! WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 11
Berechnung der Stoffmenge: Stoffmenge der Spezies i Masse der Spezies i Molmasse bzw. molare Masse der Spezies i molare Masse des Elements j Anzahl der Atome von Element j in Spezies i Beispiel: CH 4 H H C H H 1 kg kmol H 16 kg kmol C 12 kg kmol WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 12
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22,7 mol C H O N CO H O N Zur Erinnerung: 1 C H 5 O 18,8 N 3 CO 4 H O18,8 N Ergebnis: 22,7mol C H 113,5mol O 427mol N 68,1mol CO 90,8mol H O 427mol N WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 14
Berechnung der Massen 44 2 16 2 14 1 12 2 1 2 16 1 16 32 28 44 18 z. B. Masse Sauerstoff: 113,5mol 32 kg 3,632kg Achtung, auf Einheiten achten kmol C 3 H 8 O 2 N 2 CO 2 H 2 O m in kg 1 3,632 11,956 0 0 m in kg 0 0 11,956 2,996 1,634 WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 15
c) Vergleichen Sie die Gesamtmasse, die Gesamtstoffmenge sowie die mittlere Molmasse vor und nach der Verbrennung. 563,2mol 585,9mol 16,59kg 16,59kg 29,5 kg kmol 28,3 kg kmol Die Gesamtmassen vor und nach der Reaktion bleiben konstant (Massenerhaltung). Die Gesamtstoffmengen können variieren. WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 16
d) Berechnen Sie die Molen- und Massenbrüche vor und nach der Reaktion. Molenbruch bzw. Molanteil: Massenbruch: 22,7mol 563,2mol 0.04 2,996kg 16,59kg 0,18 i C 3 H 8 O 2 N 2 CO 2 H 2 O x 0,04 0,20 0,76 0 0 x 0 0 0,73 0,12 0,15 C 3 H 8 O 2 N 2 CO 2 H 2 O w 0,06 0,22 0,72 0 0 w 0 0 0,72 0,18 0,10 WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 17
2. Aufgabe C x H y oder C x H y O z werden stöchiometrisch mit Luft (Molenbrüche: 0,21; 0,79) verbrannt. a) Bestimmen Sie die Stöchiometriefaktoren der jeweiligen Reaktion. Zur Erinnerung: stöchiometrische Verbrennung: Weder Brennstoff, noch Oxidator übrig nach der Reaktion. WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 18
1C H O N CO H O N Lösung durch Elementerhaltung für Element j (C, O, H, N ): Anzahl der Atome von Element j in Spezies i j C: WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 20
1C H O N CO H O N j H: WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 21
1C H O N CO H O N j O: j N: WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 22
1C H O x ) O x N x CO H O x N Lösung durch Elementerhaltung für Element j (C, O, H, N ): Anzahl der Atome von Element j in Spezies i C: H: O: N: x y z 0 0 2 0 1 x x 0 0 0 2 x 0 2 1 0 0 0 x WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 24
b) Bestimmen Sie jeweils die Masse des verbrauchten Sauerstoffes und des erzeugten Kohlenstoffdioxids je kg Brennstoff. Geben Sie zusätzlich die Zahlenwerte für Methan (CH 4 ) und Oktan (C 8 H 18 ) an und vergleichen Sie diese mit den Ergebnissen aus der vorherigen Aufgabe. x y 4 z 32 kg 2 kmol 1 12x 1y 16z kg kmol x 1 44 kg kmol 12x 1y 16z kg kmol mit WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 25
Zahlenwerte für verschiedene Kohlenwasserstoffe: CH 4 C 3 H 8 C 8 H 18 4,0 3,64 3,43 2,75 3,0 3,14 WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 26
3. Aufgabe Bestimmen Sie das stöchiometrische Mischungsverhältnis, wenn als Brennstoff Dimethylhydrazin (C 2 H 8 N 2 ) und als Oxidator a) Sauerstoff O 2 b) Fluor F 2 (es entstehen CF 4 und HF) c) Salpetersäure HNO 3 verwendet wird. WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 28
a) Sauerstoff O 2 1C H N O CO H 2 O N Lösung durch Elementerhaltung für Element j (C, O, H, N ): Anzahl der Atome von Element j in Spezies i Probiert es jetzt aus! WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 29
a) Sauerstoff O 2 1C H N 4 O 2 CO 4 H 2 O 1 N Elementerhaltung: C: 2 0 1 2 2 0 0 H: 8 0 0 4 4 2 0 O: N: 0 2 2 2 4 0 0 1 1 0 0 2 WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 30
b) Fluor F 2 (es entstehen CF 4 und HF) 1C H N 8 F 2 CF 8 HF 1N Elementerhaltung: C: 2 0 1 2 2 0 0 H: 8 0 0 8 8 1 0 F: 0 2 4 8 1 0 WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 31
c) Salpetersäure HNO 3 1C H N 3,2 HNO 2 CO 5,6H O 2,6 N Elementerhaltung: C: H: O: 2 2 2 8 2 0 0 1 8 3 1 0 0 0 2 0 8 (1) 2 3 2 3 2 1 0 4 (2) Gleichungssystem aus (1) und (2): 3,2 5,6 N: 2 1 0 2,6 0 2 WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 33
4. Aufgabe 1 mol eines Brennstoffgemisches aus Methan und Wasserstoff (Massenbrüche: w CH4 = 32/33, w H2 = 1/33) wird in Luft verbrannt. a) Bestimmen Sie die Molenbrüche des Brennstoffgemisches. WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 36
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b) Bestimmen Sie die Stoffmengen von Sauerstoff und Stickstoff bei einer Luftzahl von 1 und 0,8 und bei einem Äquivalenzverhältnis von 0,8. Allgemein gilt:,ö,ö,ö,ö 1. Fall: stöchiometrische Verbrennung 0,8 CH 0,2 H O 79 21 N CO H O N WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 40
0,8 CH 0,2 H O 79 21 N CO H O N WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 41
0,8 CH 0,2 H O 79 21 N CO H O N WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 42
2. Fall:, < 1 fette Verbrennung,ö,ö,ö 0,8 CH 0,2 H O 79 21 N 0,2 0,8CH 0,2H 0,8 0,8CO 1,8H O N ) Sind nur 80 % der Luft vorhanden, die für die vollständige Verbrennung benötigt werden, bleiben 20 % des Brennstoffs übrig. Im Vergleich zur stöchiometrischen Verbrennung entstehen 80 % des Abgases. WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 44
3. Fall:, 1 λ < 1 magere Verbrennung,ö,ö 1 1,7 0,8 2,125 0,8CH 0,2H 2,125 O 79 21 N 0,8CO 1,8H O 0,425O 1343 168 N unverbrannter Sauerstoff (2,125 1,7=0,425) 1,7 Teilchen Sauerstoff werden für die vollständige Verbrennung des Brennstoffs verbraucht. WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 46
Hiwi gesucht! WS 2013/14 Übung - Einführung in die Verbrennung - Özuylasi, Methling 47