Mischphasenthermodynamik Prüfung

Ähnliche Dokumente
Thermodynamik 2 Klausur 17. Februar 2015

A 1.1 a Wie groß ist das Molvolumen von Helium, flüssigem Wasser, Kupfer, Stickstoff und Sauerstoff bei 1 bar und 25 C?

Thermodynamik I. Sommersemester 2012 Kapitel 2, Teil 2. Prof. Dr. Ing. Heinz Pitsch

Klausur Physikalische Chemie für TUHH (Chemie III)

Kraft- und Arbeitsmaschinen Klausur zur Diplom-Hauptprüfung, 26. Juli 2006

Thermodynamik. Grundlagen und technische Anwendungen

Allgemeine Chemie. SS 2014 Thomas Loerting. Thomas Loerting Allgemeine Chemie

Verflüssigung von Gasen / Joule-Thomson-Effekt

4 Phasendiagramme. Für den kritischen Punkt von Kohlendioxid werden 304,14 K und 7,375 MPa angegeben, für den Tripelpunkt 216,58 K und 518 kpa.

Vorlesung #7. M.Büscher, Physik für Mediziner

Physikalische Chemie 0 Klausur, 22. Oktober 2011

Übung 3. Ziel: Bedeutung/Umgang innere Energie U und Enthalpie H verstehen (Teil 2) Verständnis des thermodynamischen Gleichgewichts

Klausur Wärmelehre E2/E2p, SoSe 2012 Braun. Formelsammlung Thermodynamik

Physikalisches Grundpraktikum Taupunktmessung. Taupunktmessung

S05-Mischungslücke_Bsc Erstelldatum :15:00

Mischungslücke in der flüssigen Phase

Aufgaben. zu Inhalten der 5. Klasse

VERDAMPFUNGSGLEICHGEWICHTE: SIEDEDIAGRAMM EINER BINÄREN MISCHUNG

8.2 Thermodynamische Gleichgewichte, insbesondere Gleichgewichte in Mehrkomponentensystemen Mechanisches und thermisches Gleichgewicht


Allgemeine Chemie WS 04/05

Diplomprüfung SS 2012 Elektronik/Mikroprozessortechnik

Der Dampfdruck von Wasser

Übungsaufgaben Physikalische Chemie

PS II - Verständnistest

Multiple-Choice Test. Alle Fragen können mit Hilfe der Versuchsanleitung richtig gelöst werden.

Kreisprozesse und Wärmekraftmaschinen: Wie ein Gas Arbeit verrichtet

8. Mehrkomponentensysteme. 8.1 Partielle molare Größen. Experiment 1 unter Umgebungsdruck p:

Thermodynamik I - Übung 1. Nicolas Lanzetti

Physikalische Chemie. Heinz Hug Wolfgang Reiser EHRMITTEL. EUROPA-FACHBUCHREIHE für Chemieberufe. 2. neu bearbeitete Auflage. von

Expertenpuzzle Quadratische Funktionen

Klausur zur Vorlesung Physikalische Chemie V Elektrochemie 6. bzw. 8. Fachsemester am , 10:00 bis 12:00 Uhr

Themengebiet: Thermodynamik. mol K. mol. ] eines Stoffes bestehend aus n Mol mit der Masse m gilt. M = m n. (2)

Molzahl: n = N/N A [n] = mol N ist die Anzahl der Atome oder Moleküle des Stoffes. Molmasse oder Molekularmasse: M [M ]= kg/kmol

Universität Leipzig Studiengang Chemie (Bachelor) Wintersemester 2013/2014. Protokoll. Versuch 1: Ermittlung kritischer Größen von Gasen

Phasengleichgewicht und Phasenübergänge. Gasförmig

Expertenpuzzle Quadratische Funktionen

8.2 Thermodynamische Gleichgewichte, insbesondere Gleichgewichte in Mehrkomponentensystemen Mechanisches und thermisches Gleichgewicht

Energie- und Kältetechnik Klausur WS 2008/2009

Expertenpuzzle Quadratische Funktionen

Kursprüfung Methoden der VWL Klausurteil Dynamische Methoden der VWL (Prof. Dr. Lutz Arnold) Wintersemester 2009/

Klausur : Allgemeine und Anorganische Chemie. Name...Fachrichtung... Matr.-Nr...

Physikalische Chemie Physikalische Chemie I SoSe 2009 Prof. Dr. Norbert Hampp 1/9 1. Das Ideale Gas. Thermodynamik

9. Phasengleichgewichte und Zustandsänderungen 9.1 Einkompentige Systeme

Thermodynamik für die Energie- und Verfahrenstechnik mittels molekularer und experimenteller Methoden

Bachelorprüfung. Fakultät für Bauingenieurwesen und Umweltwissenschaften Institut für Werkstoffe des Bauwesens Univ.-Prof. Dr.-Ing. K.-Ch.

Der Konversionsfaktor ist ein Um rechungsfaktor zwischen m assenund volumenbasierten Mengenangaben von Gasen.

Physikalische Grundlagen der Hygrometrie

Fachrichtung Klima- und Kälteanlagenbauer

E Homogene / inhomogene Mischungen und Entmischungsdiagramme

Zustandsbeschreibungen

0.1 Barometrische Höhenformel

Thermodynamik. Thermodynamik ist die Lehre von den Energieänderungen im Verlauf von physikalischen und chemischen Vorgängen.

Institut für Thermodynamik Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner Thermodynamik I - Lösung 1. Einleitende Fragen

Klausur Vertiefungsfach 2: Master

Wärmelehre/Thermodynamik. Wintersemester 2007

Ideale und Reale Gase. Was ist ein ideales Gas? einatomige Moleküle mit keinerlei gegenseitiger WW keinem Eigenvolumen (punktförmig)

Preisbildung auf unvollkommenen Märkten und allgemeines Gleichgewicht. Prof. Dr. A. Endres

Übungen zur VL Chemie für Biologen und Humanbiologen Lösung Übung 6

Bearbeitungszeit: 30 Minuten

Seminar zur Theorie der Teilchen und Felder. Van der Waals Theorie

Lösungen zu den Zusatzübungen zur Physik für Ingenieure (Maschinenbau) (WS 13/14)

Unterthema 2 Funktionen aufstellen nach Bedingungen

Das chemische Potential- eine Übersicht wichtiger Beziehungen

Einführungsphase. Viel Erfolg! Aufgabe 1: Quadratische Funktion Flugbahn (29 Punkte)

Flüssigkeiten. einige wichtige Eigenschaften

2. Schriftliche Leistungskontrolle (EK)

Institut für Energiesysteme und Energietechnik. Vorlesungsübung 1. Musterlösung

V.2 Phasengleichgewichte

Unterlagen für die Lehrkraft Zentrale Klausur am Ende der Einführungsphase 2011 Mathematik

Übung 4. SS 2013 Übung - Einführung in die Verbrennung - Methling, Özuylasi 1

SCHRIFTLICHE ABSCHLUSSPRÜFUNG 2005 REALSCHULABSCHLUSS. Mathematik. Arbeitszeit: 180 Minuten

Nachrichtenübertragung

Reaktion und Energie

Dampfkraftprozess Dampfturbine

Beitrag zur Berechnung homogener Gasgleichgewichte.

Klausur Grundlagen der Elektrotechnik II (MB, EUT, LUM) Seite 1 von 5

PS III - Rechentest


VERSUCH 16 CHEMISCHES GLEICHGEWICHT IN DER GASPHASE

3.4 Chemische Reaktionen und Reaktionsgleichgewichte Diskussion der chemischen Reaktionsbereitschaft einer Mischung

Reale Zustandsdiagramme und ihre Interpretation

Einführung in die Physikalische Chemie Teil 1: Mikrostruktur der Materie

Manfred Nitsche. Kolonnen-Fibel. Für die Praxis im chemischen Anlagenbau. Springer Vi eweg

Zustandsformen der Materie Thermische Eigenschaften der Materie. Temperatur. skalare Zustandsgröße der Materie Maß für die Bewegung der Moleküle

7.2 Energiebilanz bei chemischen Stoffumwandlungen

Klausur "Elektrotechnik" am

Phasengleichgewicht (Destillation)

Was haben wir gelernt?

Vordiplomsklausur Physik

2.2 Quadratwurzeln. e) f) 8



LN Vortermin SS 02. PC Teil

Übungsaufgabe. Bestimmen Sie das molare Volumen für Ammoniak bei einem Druck von 1 MPa und einer Temperatur von 100 C nach

Preisbildung auf unvollkommenen Märkten und allgemeines Gleichgewicht. Prof. Dr. A. Endres

Arbeitsblatt Mathematik

Die freie Energie wird also bei konstantem Volumen und konstanter Temperatur minimal

Transkript:

Institut für Energie- und Verfahrenstechnik Thermodynamik und Energietechnik Prof. Dr.-Ing. habil. Jadran Vrabec ThEt Mischphasenthermodynamik Prüfung 06. 03. 2017 Teil 1 : Fragenteil Gesamte Bearbeitungszeit : 60 Minuten Bearbeitungszeit Teil 1 : 40 Minuten Umfang Teil 1 : 5 nummerierte Seiten + Phasendiagramm Für den Teil 1, sowie für den Teil 2 der Prüfung dürfen alle Unterlagen zur Vorlesung und Übung sowie Lehrbücher und Taschenrechner genutzt werden. Geben Sie diese Aufgabenstellung bitte zusammen mit Ihren Lösungsblättern ab. Füllen Sie die Angaben zu Ihrer Person aus und versehen Sie jedes Lösungsblatt mit Ihrem Namen. Name: Vorname: Matrikelnummer: Unterschrift: Angaben zur Korrektur Aufgabe Maximale Punktzahl Erreichte Punkte Korrektor 1 28 2 14 Summe Bewertung - 1 -

Aufgabe 1 (28 Punkte) Phasengleichgewichte a) Eine binäre Mischung wird in einer Verdampfereinheit kontinuierlich teilweise verdampft. Messtechnisch wurden für die Ausgangsströme die Temperatur, der Druck und die Zusammensetzung der beiden Phasen mit bekanntem Siedediagramm bestimmt. Lässt sich daraus die Zusammensetzung des Eingangsstroms eindeutig bestimmen? Gib eine Begründung. (2 P) b) Die binäre Mischung Ethanol (A) und Toluol (B) bildet bei dem betrachteten Systemdruck ein Leichtsiederazeotrop aus. Skizziere den Prozessweg für die abgebildete abgewandelte fraktionelle Destillation, bestehend aus einem Verdampfer und n = 2 Kondensatoren in das beigefügte T,x- Diagramm ein. Berechne die fehlenden Werte. Welcher Wert ergibt sich für die Gasbzw. Flüssigphasenzusammensetzung, wenn n gegen unendlich geht? (8 P) - 2 -

Reale Fluide c) In der Abbildung sind die jeweiligen Dampfdruckkurven von Wasser (blau) und Stickstoff (rot) gegeben. Welche Aussage macht das einfache Korrespondenzprinzip und wie sehen diese Dampfdruckkurven, unter Berücksichtigung der Daten für den Tripel- und kritischen Punkt aus. Zeichne die Lösung in ein Schaubild ein. Welchen Ansatz schlägt Pitzer für diesen Fall vor? Stelle auch diese Lösung qualitativ in einem Schaubild dar. (3 P) Tripelpunkt: T / K p / MPa Wasser 273.16 0.0006 Stickstoff 63.15 0.0125 Kritischer Punkt: T / K p / MPa Wasser 647.1 22.064 Stickstoff 126.2 3.396 d) Die Abbildung zeigt den Verlauf des zweiten Virialkoeffizienten von Stickstoff über der Temperatur. Welche Aussage lässt sich über die zwischenmolekularen Wechselwirkungen für die drei Fälle B < 0, B = 0 und B > 0 machen. Diskutiere am Beispiel der bis zum zweiten Virialkoeffizienten entwickelten druckexpliziten Virialgleichung Bestimme zusätzlich die Boyle Temperatur. (4 P) - 3 -

e) Die Abbildung zeigt einen Ausschnitt der Tauline (schwarz) von Ethanol in einem p,ρ Diagramm. Weiter ist der Verlauf der tatsächlichen T = 500 K Isotherme (blau) sowie die Approximation nach der druckexpliziten Virialgleichung (rot) dargestellt. Für den gesuchten Zustandspunkt ist der zweite Virialkoeffizient bekannt. Berechne, mit Hilfe dieser Virialgleichung, die Dichte des Fluids am gesuchten Zustandspunkt. Zeichne die Lösung(en) eindeutig in das Schaubild ein und erkläre warum sich die beiden Isothermen am Zustandspunkt nicht berühren. (4 P) T / K p / MPa B(T) / dm³/mol 500 4-0.22658 Mehrphasige Systeme f) Eine Gasphase bestehend aus Stickstoff, Sauerstoff und Wasser steht mit einer Flüssigphase bestehend aus denselben Komponenten, bei T = 25 C und p = 1 bar, im thermodynamischen Gleichgewicht. Im Folgenden soll die Zusammensetzung der Phasen näher untersucht werden. Bekannt sind die molaren Partialdichten ρ i '' der Komponenten in der Gasphase, sowie die jeweiligen Henry-Konstanten H i,h2 O. Berechne die fehlenden Werte der Tabelle. (5 P) Gasphase T / C ρ i ''/ mol/dm³ x i '' mol/mol n i '' / mol H i,h2 O / bar Stickstoff 25 0.0315 0.78 0.158 87000 Sauerstoff 25 0.0076? 0.038 44000 Wasser 25 0.0013?? - - 4 -

Flüssigphase T / C p / bar ρ i ' / mol/dm³ x i ' mol/mol n i ' / mol Wasser 25 1 55.345 0.999987 276.725 Stickstoff 25 - -? 0.0025 Sauerstoff 25 - -?? g) Es soll nun das Dampf-Flüssigkeitsgleichgewicht von reinem Wasser betrachtet werden. Dargestellt sind die Tau- und die Siedelinie in einem p,ρ Diagramm sowie Ausschnitte aus dem Verlauf der T = 200 C und T = 290 C Isothermen (rot, blau). Zeichne den Zustand der flüssigen sowie gasförmigen Phase, für die beiden Temperaturen, eindeutig in das Schaubild ein. In welche Richtung wird sich die Flüssigkeitsoberfläche bewegen, wenn man m = 500 g Wasser in einem V = 1 dm³ Gefäß von T = 200 C auf T = 290 C erwärmt. Begründe (2 P) - 5 -

Mischphasenthermodynamik Prüfung 06. 03. 2017 Teil 2 : Aufgabenteil Gesamte Bearbeitungszeit : 60 Minuten Bearbeitungszeit Teil 2 : 20 Minuten Umfang Teil 2 : 2 nummerierte Seiten Für den Teil 1, sowie für den Teil 2 der Prüfung dürfen alle Unterlagen zur Vorlesung und Übung sowie Lehrbücher und Taschenrechner genutzt werden. Geben Sie diese Aufgabenstellung bitte zusammen mit Ihren Lösungsblättern ab. Füllen Sie die Angaben zu Ihrer Person aus und versehen Sie jedes Lösungsblatt mit Ihrem Namen. Name: Vorname: Matrikelnummer: Unterschrift: - 6 -

Aufgabe 2 (14 Punkte) Im Folgenden soll die Gasphasenzusammensetzung der binären Mischung Ethanol (1) und Wasser (2) im Dampf-Flüssigkeitsgleichgewicht bei T = 232.5 C berechnet werden. Aufgrund des hohen Systemdrucks von p = 50 bar kann die Gasphase nicht als ideal betrachtet werden. Zur Bestimmung der Gasphasenzusammensetzung wird folgender Lösungsansatz vorgeschlagen. Der Fugazitätskoeffizient der i-ten Gaskomponente kann über eine Virialgleichung bestimmt werden. Entwickelt man bis zum 2.Virialkoeffizienten, so ergibt sich folgender Zusammenhang: RT ln(φ i ) = p ( B mix + 2 x j B ij ) 2 j=1 a) Berechne aus den angegebenen Stoffdaten das chemische Potential des Ethanols in der Flüssigphase. (2 P) b) Formuliere das chemische Potential des Ethanols in der Gasphase als Funktion und verwende dabei die angegebene Näherung des Fugazitätskoeffizienten. (2 P) c) Die Phasengleichgewichtsbedingung führt, unter der Näherung ln(x i ) x i x 2 i /2, auf 2 eine quadratische Gleichung der Form ax 1 + bx1 + c = 0. Bestimme die Koeffizienten a, b, c und damit dann die gesuchte Gasphasenzusammensetzung. (10 P) Angaben: Universelle Gaskonstante : R m = 8.3145 J mol K T / C p / bar ρ / mol/dm³ Gasphase 232.5 50 1.778 Flüssigphase 232.5 50 20.934 Gasphaseneigenschaften: 0 μ i (T=232.5 C, p 0 =0.01 bar) / kj/mol B i / dm³/mol B 12 / dm³/mol Ethanol -38.95-0.21737-0.18656 Wasser -38.86-0.16424-0.18656 Flüssigphaseneigenschaften bei T=232.5 C und p=50 bar: μ rein.liq i / kj/mol x i / mol/mol γ i / - Ethanol -4.755 0.419 1.375 Wasser -6.173 0.581 1.341-7 -

REFPROP Version 9.1 06.03.2016 18:48:32 2: Temperature vs. Composition plot: ethanol/toluene (0.5/0.5) 380. Temperature (K) 370. 360. 350. 1 bar 0.000 0.250 0.500 0.750 1.00 Mole Fraction (ethanol)