Klausur zur Vorlesung Technische Chemie: Reaktionstechnik 9.7.2007 9:00 Uhr bis 11.00 Uhr Name, Vorname Geburtsdatum Studiengang/Semester Matrikelnummer Hinweis: Alle Ansätze und Rechenwege sind mit Worten zu begründen. In Rechnungen sind die Einheiten jeweils mit zu berechnen, z.b. bis zur resultierenden Einheit zu kürzen. Aufgabe Nr. Erreichte Punktzahl Maximale Punktzahl 1 2 3 4 SUMME 9 10 10 8 37 1
Aufgabe 1.) (9 Punkte) In den nachfolgenden Fragen können mehrere der angegebenen Antworten richtig sein. Kreuzen Sie alle richtigen Antworten an. Eine Aufgabe gilt nur dann als richtig gelöst, wenn alle richtigen Antworten und keine falsche(n) angekreuzt sind. a) Welche Eigenschaften lassen eine Substanz als möglichen Tracer ausscheiden? Er reagiert nicht im Reaktor. Er zersetzt sich schnell. Er ist in geringen Konzentrationen nachweisbar. Er wird an den Reaktorwänden adsorbiert. b) Welche Kombination von Rührkesselkaskade und idealem Strömungsrohr vergrößert die Verweilzeit des Tracers am stärksten? Rührkesselkaskade hinter Strömungsrohr. Strömungsrohr hinter Rührkesselkaskade. Eine eindeutige Aussage ist nicht möglich. Die Verweilzeit ist unabhängig von der Art der Kombination. c) Wodurch wird die Form der Verweilzeitfunktion eines realen Reaktors bestimmt? Art des Tracers. Temperatur. Strömungsgeschwindigkeit. Konzentration. d) Die folgende Abbildung zeigt das Verweilzeitverhalten eines realen Reaktors (durchgezogene Linie) und einer idealisierten Form dieses Reaktortyps (gestrichelte Linie). Um welchen realen Reaktor handelt es sich? (1P) Rührkessel mit Kurzschlussströmung. Rührkessel mit Totwasserzonen. Rührkesselkaskade mit Totwasserzonen. Rohrreaktor mit inhomogener Katalysatorschüttung. E(t) Begründung (1P): t 2
e) Welche der folgenden Aussagen zur Reaktionsführung sind richtig? Bei isothermer Reaktionsführung kann der Wärmeaustauschterm in der Wärmebilanzgleichung vernachlässigt werden. Bei polytroper Reaktionsführung kann der Wärmeaustauschterm in der Wärmebilanzgleichung vernachlässigt werden. Bei adiabatischer Reaktionsführung wächst bei einer exothermen irreversiblen Reaktion der Umsatz linear mit der Temperatur. Bei adiabatischer Reaktionsführung fällt bei einer exothermen irreversiblen Reaktion der Umsatz linear mit der Temperatur. f) Wann bezeichnet man einen Reaktor als instationär? Wenn an jedem Ort die Konzentration zeitlich konstant ist. Wenn der Reaktor während der Reaktion bewegt wird. Wenn die Konzentration an unterschiedlichen Orten des Reaktors verschieden ist. Wenn sich die Konzentration im Reaktor zeitlich ändert. g) Welche der folgenden Aussagen sind falsch? Durch Erhöhung der Gasgeschwindigkeit kann ein Festbettreaktor in einen Wirbelschichtreaktor übergehen. Ein Wirbelschichtreaktor mit zirkulierender Wirbelschicht weist einen sehr niedrigen Stoffund Wärmedurchgang auf. In einem Wirbelschichtreaktor mit zirkulierender Wirbelschicht lässt sich die Temperatur sehr gut steuern. Im Vergleich mit Schüttschichtreaktoren sind die in Wirbelschichtreaktoren eingesetzten Feststoffpartikel sehr groß. h ) Als Gas-Flüssigkontakt-Reaktoren können betrieben werden Rührkessel. Gegenstromkolonnen. Rohrreaktoren. Blasensäulen. 3
Aufgabe 2.) (10 Punkte) Bei der Herstellung von Butylacetat in einer säurekatalysierten Veresterung nach der Reaktionsgleichung CH 3 COOH + C 4 H 9 OH CH 3 COO C 4 H 9 + H 2 O besteht das Ausgangsgemisch aus Essigsäure und Butanol im Stoffmengenverhältnis von 1:5. Die mittlere Dichte beträgt ρ = 0,75 kg/l und wird als konstant angenommen. Beim vorliegenden Butanolüberschuß ist die Reaktionsrate in zweiter Ordnung mit der Geschwindigkeitskonstanten k = 14,8 10-3 L/(mol min) von der Konzentration der Essigsäure abhängig: R 1 = - k c 1 2. Die Molmassen betragen M 1 = 60,05 g/mol für Essigsäure, M 2 = 74,12 g/mol für Butanol und M 3 = 116,16 g/mol für Butylacetat. a) Berechnen Sie die Reaktionszeit, nach der ein Umsatz der Essigsäure von 0,5 erreicht ist. (6P) b) Welches Volumen muß eine Anlage haben, mit der unter den Bedingungen aus a) eine Jahresproduktion von 900 t Butylacetat erzielt werden soll? Es können 8000 Betriebsstunden pro Jahr angesetzt werden und die Rüstzeit beträgt 30 min. (4P) 4
Aufgabe 3.) (10 Punkte) Eine Reaktion A B von erster Ordnung (k = 1,4 10-2 1/s ) wird in einem adiabatisch betriebenen Rohrbündelreaktor durchgeführt. Das Edukt ist dabei in einer Konzentration von 5 mol/l in einem Lösungsmittel (ρ = 0,8 kg/l, c p = 4 kj/(kg K) ) gelöst, das mit 25 C in den Reaktor eingespeist wird. Die Reaktion ist exotherm mit H r = - 300 kj/mol. a) Skizzieren Sie den ortsabhängigen Verlauf von c a, X und T entlang der Achse eines Rohres. (2P) b) Welcher Umsatz kann erreicht werden, wenn die Rohre für eine Maximaltemperatur von 500 K ausgelegt sind? (3P) c) Wie viele Rohre (Innendurchmesser 4 cm, Länge 5 m) sind notwendig, um unter diesen Bedingungen eine Produktmenge von 720 kmol/h zu produzieren? (5P) 5
Aufgabe 4.) (8 Punkte) Eine volumenbeständige Reaktion A 1 A 2 verläuft mit einer Geschwindigkeitskonstante k = 0,04 s -1 erster Ordnung in A 1. Gesucht wird der mittlere Umsatz in einem realen Reaktor, dessen Verweilzeitverteilung am Reaktorausgang nach der Puls-Methode (Stoß-Methode) bestimmt wurde. Bei der Verweilzeituntersuchung wurde folgender Konzentrationsverlauf der Markierungssubstanz gemessen. t i /s 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 c(t i)/(mol/l) 0,20 0,75 0,91 0,80 0,58 0,37 0,23 0,15 0,08 0,05 a) Leiten Sie zunächst einen Ausdruck für die Zeitabhängigkeit des Umsatzes für die oben beschriebene Reaktion her. (2P) b) Berechnen Sie X(t i ) für die oben angegebenen Zeiten. (2P) c) Geben Sie an, wie sich der mittlere Umsatz unter Verwendung der Verweilzeitverteilung bestimmen lässt und wie er aus c(t i ) erhalten werden kann. (1P) d) Berechnen Sie aus den in Teil b) ermittelten Umsätzen den mittleren Umsatz X ( t i ). Gehen Sie bei der Berechnung davon aus, dass differentiell geschriebene Größen sich durch Differenzen (z.b. dx x) und Integrale sich durch Summen annähern lassen. (3 P) 6