Technische Chemie Klausur 2003/2004

Technische Chemie Klausur 2003/2004
1. Zur HersteIlung von Naphthalinsulfonsäure wird Naphthalin mit konzentrierter
Schwefelsäure, die freies SO3 enthält, umgesetzt. Dabei laufen folgende Reaktionen
ab:
N + SO3 αNSS (k1)
N + SO3 βNSS (k2)
βNSS + SO3 NDSS (k 3)
αNSS + SO3 NDSS (k 4)
Verwenden Sie bei der Formulierung der nachfolgend geforderten Ansätze die
Symbole:
.
∆RHj, EA,j, k0,j, r, v ein, VR (=Volumen der Reaktionsmasse), V0 (=VR(t=0)), VR(t), T, Tein,
Taus, TWA (=Temperatur im Wärmeaustauscher), a (= effektive Temperaturleitzahl in
axialer Richtung: a = λ/ρcP), ciein, ciaus, ci,0, w (= lineare Strömungsgeschwindigkeit in
axialer Richtung)
Laufindex j für Reaktionen: 1,2,3,4
Laufindex i für Stoffe: i=N, SO3, αNSS, βNSS, NDSS
Zur Vereinfachung ist anzunehmen, dass von allen vorkommenden Konstanten nur kj
temperaturabhängig ist, dass das Reaktionsgemisch (quasi-)homogen ist und dass
die chemischen Reaktionen nicht zu Volumenänderungen führen.
Formulieren Sie die Ansätze für
a) die Reaktionsgeschwindigkeiten rj(k0,j,EA,j,T,ci) für alle Teilreaktionen (Annahme:
jede sei von 2. Ordnung !) und
b) die Stoffumwandlungsgeschwindigkeiten ri für alle Stoffe in der Form ri=f(rj)
Formulieren Sie, ausgehend von der allgemeinen Bilanzgleichung und der Tatsache,
dass die Stoffumwandlungsgeschwindigkeiten ri in b) bereits definiert wurden, die
Gleichungssysteme für die Konzentrationen aller beteiligten Stoffe ci und, wo nicht
ausdrücklich ausgeschlossen, für die Temperatur T der Reaktionsmasse, wenn die
Reaktionen in folgenden Reaktoren ablaufen:
c)adiabatischer diskontinuierlicher Idealkessel (DIK)
d) isothermer Semi-Batchreaktor (SBR) mit Wärmeaustauschermantel, Naphthalin
(N) wird vorgelegt und konz. Schwefelsäure (SO3) zudosiert, die EnthalpiedichteBilanzgleichung ist in Form TWA=... umzustellen!
e) stationärer adiabatischer kontinuierlicher Idealkessel (KlK) mit nach T aus
umgestellter Enthalpiedichte-Bilanzgleichung
f) instationärer Rohrreaktor mit Rückvermischung (RR), bei dem nur in Richtung der
Längsachse Gradienten für ci und T existieren und ein Wärmeaustausch durch die
Wand bei annähernd konstanter Temperatur TWA für die Wärmeaustauschflüssigkeit
über die Rohrlänge stattfindet.
g) Kennzeichnen Sie durch eine Umrahmung in den Gleichungen von f) deutlich die
Blöcke, die zu Null werden, wenn es sich bei dem Rohrreaktor um ein stationäres
isothermes Idealrohr (IR) handeln würde.
h) Stellen Sie in Stichworten und Skizzen zwei Möglichkeiten für die
Reaktionsführung (Reaktortyp, Dosierung) dar, bei denen möglichst wenig
Nebenprodukt NDSS entsteht.
2. Ethylenoxid (A) wird in einem kontinuierlichen Idealkessel (KIK) (isotherm bei
150°C mit einem großen Überschuss an Wasser zu Ethylenglykol (P) verseift:
(H2C-CH2)O + H2O HOH2C-CH2OH
bzw. A + B P
Die Reaktionsgeschwindigkeit lässt sich mit einem Ansatz 1. Ordnung beschreiben:
r = k⋅cA
Folgende Größen sind bekannt:
K0 = 1,19⋅105s-1; EA = 67,2 kJ/mol; R = 8,3144 J/mol⋅K; T/K = υ°C + 273,16;
.
Volumen der Reaktionsmasse VR = 5 m3; Zulaufstrom = v ein = 2 m3/h.
a) Wie groß ist der Wert für die Geschwindigkeitskonstante mit der Einheit h-1?
Benutzen Sie für die folgenden Aufgaben den Wert k= 6,0327⋅10-4s-1!
b) Wie hoch ist der erreichbare Umsatz UAaus im KIK ?
c) Wie groß müsste das Volumen VR eines kontinuierlichen Idealrohres (IR) sein,
wenn dieses anstelle des KIK eingesetzt würde und bei gleichem Zulaufstrom der
gleiche Umsatz erreicht werden soll ?
d) Wie groß wäre bei gleichem Umsatz wie unter b) für einen diskontinuierlichen
Idealkessel (DIK) die Reaktionszeit tDIK ?
e) Bilden Sie für den vorliegenden Fall aus den Auslegungsgleichungen die Formel
zur Berechnung des Verhältnisses τKIK/τIR !
f) Wie groß ist dieses Verhältnis für 90% und für 99% Umsatz?
g) Berechnen Sie den Umsatz UA,2aus, wenn hinter den KIK aus Aufgabe b) ein
gleich großer zweiter KIK geschaltet wird.
h) Berechnen Sie die Werte für die Umsätze UA,1aus und UA,2aus, wenn bei gleichem
Zulaufstrom der KIK aus b) durch zwei gleich große hintereinander geschaltete
kontinuierliche Idealkessel ersetzt würde, von denen jeder das halbe Volumen (=
2,5 m2) an Reaktionsmasse aufnehmen kann.
i)Ermitteln Sie unter Beachtung der Werte für die Raumzeit grafisch die Lösung von
Aufgabe b) und h) unter Verwendung des beigefügten Diagramms –(rA/CA,0)=f(UA)
[Hinweis: Auslegungsgleichung für KIK entsprechend voranstehender Gleichung
umformen und zur Konstruktion der Geraden mit dem Anstieg 1/rKIK die beiden
Grenzfälle für UAaus=0 und UAaus=1 benutzen].
3. Eine Gasphasenreaktion weist bei vollständigem Umsatz der Ausgangsstoffe
eine Volumenkontraktion auf 1/3 des Ausgangsvolumens V0 auf.
a) Ermitteln Sie εA und entscheiden Sie anhand dieses Wertes für εA, welche der
folgenden Reaktionsgleichungen zutrifft:
2A+BP oder A+B2P oder A+BP ?
b) Wie groß ist der Umsatz UA , wenn bei dieser Reaktion nach einer bestimmten
Zeit noch 45% des Anfangsvolumens vorliegen?

Download Report