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Chemieingenieurwissenschaften, 4. Semester - VCS

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Institut für Chemie und Bioingenieurwissenschaften
Chemieingenieurwissenschaften I
Prof. W. J. Stark
B
Beispiel einer Probeprüfung - Chemieingenieurwissenschaften, 4. Semester
(Achtung: Sowohl Aufgabenstellung wie auch Musterlösung können Fehler
enthalten!)
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 zeitaufwendigeren 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
Institut für Chemie und Bioingenieurwissenschaften
Prof. W. J. Stark
Chemieingenieurwissenschaften I
Prüfung SS 2004 Chem Bio Ing, 4. Semester
Bitte nehmen Sie sich Zeit, die Prüfung VORHER ganz durchzulesen. Sie müssen NICHT ALLE Aufgaben für
das Erreichen der Maximalnote lösen. Sie können eine Aufgabe streichen. Versuchen Sie also effizient zuerst
die einfachen Aufgaben zu lösen und beginnen Sie erst dann die grösseren Fragen.
Aufgabe 1. Reaktoren und Reaktionen (je 1 Pkt)
A) Welcher Reaktortyp eignet sich für die Durchführung einer autokatalytischen Reaktion?
B) Welchen Reaktortyp verwenden Sie bevorzugt für eine stark exotherme Zersetzungsreaktion?
C) Sie sollen 100 g einer Reaktionsmischung mit adiabatischer Temperaturerhöhung von 400 °C
umsetzen. Welche einfache Massnahme erlaubt Ihnen, das Risiko eines thermischen Runaways stark
zu vermindern?
D) Wie ändert sich die Geschwindigkeit der Produktbildung einer langsamen, homogenen, praktisch
isotherm verlaufenden Reaktion mit der Rührgeschwindigkeit in einem Kessel?
E) Warum werden technisch heterogen katalysierte Reaktionen den homogenen meist vorgezogen?
F) In einer Rohrleitung wird der Flüssigkeitsdurchsatz langsam erhöht. Skizzieren Sie den Druckabfall
über ein Rohrsegment als Funktion des Flüssigkeitsdurchsatzes wenn Sie zu hohen
Fliessgeschwindigkeiten kommen.
G) Eine Änderung der Fliessgeschwindigkeit in einem komplexen Reaktor mit heterogener Katalyse
erhöht die Wärmeproduktion des Reaktors um 60 %. Was erwarten Sie für den Umsatz einer
exothermen Reaktion A nach B?
H) Wie charakterisieren Sie ein Wärmeübergangsproblem?
I) Die Reaktion A ĺ B ĺ C mit einem k1 (erste Reaktion) von 10 /sec und einem k2 von 1/sec soll für
die Ausbeute an B optimiert werden. Bei welchem Umsatz von A ist dies der Fall ?
J) Warum verwenden wir dimensionslose Kennzahlen (kurz!)
K) Eine Erhöhung der Re in einem komplexen Reaktor ändert die Strömungsprofile. Was erwarten Sie
für den Wärmetransport?
-1-
Aufgabe 2. Beurteilen eines Synthesevorschlages (je 2 Pkt)
A) Beurteilen Sie den Schritt A bis D. Kommentieren Sie auch ihre Durchführbarkeit in einem
grösseren Massstab. Kurz!
B) Beurteilen Sie F bis I. Kurz!
C) Im Schritt E wird AIBN (Azo-Isobutyronitril), ein Radikalstarter, eingesetzt. Die Reaktionsenthalpie
im Schritt E setzt 60 kJ/mol frei. Besteht die Gefahr eines thermischen Runaways, falls die Reaktion
1 Molar in Cyclohexan (Cp = 2 kJ/kg K) geführt wird? Würde ein anderer Katalysator dies ändern?
D) Schritt K ist der Schlüsselschritt der Synthese von Arthemisinin nach Yadav et al. Wie würden Sie
aparativ die Bestrahlung mit UV-Licht lösen?
E) Im letzten Schritt wird Perchlorsäure eingesetzt. Ihr Produktionsleiter schlägt die Verwendung eines
Rohrreaktors zwecks Minimierung der Gefahr eines thermischen Runaways vor und möchte bei 50
°C arbeiten. Mit einer Reaktionsgeschwindigkeit von 0.05 mol/sec L und einer Konzentration von
0.5 Molar soll die Reaktion bis zu einem Umsatz von 90 % durchgeführt werden. Welches Volumen
hat ein entsprechender Rohrreaktor?
-2-
Aufgabe 2. Fortsetzung: Syntheseplan von Artemisinin
CrO3, H2SO4
(C6H11)2BH, THF, 0°C, 7 days
H2O2, H+, aq.
Acetone, 0°C
HO
A
HOOC
B
H
H
I2, KI, aq. NaHCO3
48 h in dark
C
O
E
I
MeCOEt
O
(Me3Si)3SiH
AIBN
O
I
separation I
O
+
D
O
O
O
O
O
F
HS-CH2CH2-SH
BF3-Et2O
CH2Cl2, 0°C
S
G
S
S
S
NaOH, MeOH
O
HCl, neutralize
HO
CH2N2 in Et2O
MeCOO
O
MeOCH2PPh3Cl
KH, THF, 50 °C,
O
UV-light
dry HCl, -78°C
O
O
S
O
HgCl2, CaCO3
OMe
O
O
S
70 % HClO4, Et20 MeCOO
24 h
K
Syntheseplan Artemisinin nach Yadav et al, ARKIVOC, 2003.
-3-
MeCN, H2O
I
OMe
MeCOO
H
Aufgabe 3. Reaktionen und Reaktionsführung (je 1.5 Pkt)
Beachten Sie folgendes Reaktionsschema:
Das teuere Ausgangsprodukt A reagiert mit dem billigeren Ausgangsprodukt B zu C. Gleichzeitig zerfällt A
jedoch spontan bei der gegebenen Reaktionstemperatur zu D und E:
k1
1.: A + B ⎯⎯
→C
k2
2.: A ⎯⎯
→D+ E
Log (Nu)
A) Würden Sie einen Rohrreaktor oder einen ideal durchmischten Rührkessel einsetzen, um den Umsatz
nach C zu optimieren und warum? Wie könnten Sie den Reaktor weiter optimieren? Skizzieren sie kurz!
B) Würden Sie den Reaktor mit einem Überschuss an A oder an B betreiben?
C) Reaktion 1 hat eine Aktivierungsenergie von 50 kJ/mol; Reaktion 2 eine Aktivierungsenergie von 200
kJ/mol. Ist es sinnvoll den Reaktor bei hoher oder tiefer Temperatur zu betreiben.
D) Wäre es sinnvoll einen Katalysator zu verwenden? Für welche Reaktion muss der Katalysator aktiv
sein?
E) Kann ein Katalysator die Selektivität beeinflussen?
F) Sie beobachten bei erhöhen der Flussgeschwindigkeit in einem Rohreaktor folgende Erhöhung der
Wärmeleitung, wie erklären sie die Unstetigkeit in folgender Figur?
Log (Strömungsgeschwindigkeit)
G) Welche Steigungen erwarten Sie für die 2 Linienabschitte?
H) Würden Sie einen Rohrreaktor laminar oder turbulent betreiben, wieso?
-4-
Aufgabe 4. Reaktionsgeschwindigkeiten (je 1.5 Pkt)
A) Bei einer homogenen Reaktion in einer Flüssigkeit (z. B. eine Umlagerung) wird folgende Abhängigkeit
der Reaktionsgeschwindigkeit von der Temperatur ermittelt.
ra=A•ca exp(-Ea /RT)
ln ra
1/T
Wie können Sie den „Knick“ im Arrhenius Plot erklären?
Was meinen Sie zur Behauptung eines Kollegen, dass man hier vor allem stärker verdünnen sollte?
B) Bei einer Entschwefelung eines Erdölbatches mit einem Katalysator (poröse Kugeln, 10 mm
Durchmesser) kann folgende Kinetik festgestellt werden:
Wie können Sie den „Knick“ im Graphen erklären? Welche Hilfsmittel stehen Ihnen zur Verfügung, um
so einen Fall vorherzusehen?
C) Wie würden Sie den Entschwefelungsprozess in B ändern, falls Sie einen höheren Durchsatz im gleichen
Reaktor erreichen sollen?
-5-
Aufgabe 4. Fortsetzung: Dimensionslose Zahlen
Sie sind Mitarbeiter in einem Kernkraftwerk mit 1GW Leistung. Zur Kühlung des Kernreaktors werden Röhren
(DRohr= 1 inch) eingesetzt. Betrachten Sie zwei Varianten von Kühlmedien:
1. Wasser: ȡH2O=1000 kg/m3; μH2O=6.25*10-4 Pa sec; kH2O=0.5 W/(m K), cP,H2O=4.2 kJ/(kg K)
2. NaK-Legierung: ȡNaK=900 kg/m3; μNaK=5*10-4 Pa sec; kNaK=0.2 W/(m K), cP,NaK=1 kJ/(kg K)
(Beachte: NaK-Legierung ist flüssig bei Raumtemperatur)
Das Kühlfluid fliesst mit einer mittleren Geschwindigkeit von vMittel=10 m/sec und hat eine mittlere Temperatur
von TMittel=100°C.
D) Berechnen Sie die Re- und die Pr-Zahl für beide Kühlmedien. Sind die Stömungen turbulent?
E) Zeichen Sie qualitativ die beiden Geschwindigkeits- bzw. Temperaturprofile über den Rohrdurchmesser
je in einen Graphen.
F) Berechnen Sie für beide Fälle die Nu-Zahl mit der Beziehung von McAdams, Dittus-Boelter:
Nu=0.023 Re0.8 Pr0.4 und bestimmen Sie die Wärmeübergangskoeffizienten hH2O bzw. hNaK.
G) Wieviele Röhren (LRohr=5m) müssen Sie für die jeweiligen Kühlmittel mindestens einsetzen zur Kühlung
des Reaktors (Leistung=1GW; Mittlere Brennstabtemperatur THeiss=300°C).
-6-
Aufgabe 5. Absorber ( je 2 Pkt)
Massenbilanz
In einem Aufarbeitungsprozess von einem sulfidischen Erz fällt 200 m3/min Abgas (1 atm, 25 °C) an mit der
Zusammensetzung (0.1 mol SO2 , 0.1 mol O2, 0.8 mol N2)/mol total. Um die Bildung von „Saurem Regen“ in
der Atmosphäre zu verhindern, soll SO2 mittels eines Absorbers aus dem Abgas entfernt werden. Das Abgas
nach dem Absorber enthält noch 0.0005 mol SO2 / mol Gas
A) Wieviel SO2 (kg SO2/kg H2O) enthält das Abwasser und wie gross ist die Geschwindigkeit (kg SO2/min)
mit der Schwefeldioxid absorbiert wird? Was für einen Volumenstrom (m3/min) ergibt sich für das
gereinigte Abgas?
B) Wie sieht qualitativ ein Plot der Sherwood-Zahl (Sh-x Diagramm) entlang dieses Absorber aus?
Gereinigtes Gas mit
0.0005 mol SO2 / mol
V’ (H2O)=
Gas
1000 L/min
x
ABSORBER
Abwasser
Abgas mit 0.1 mol SO2/mol Gas
Diffusion
In einem anderen Absorber soll ein Gasstrom bestehend aus einer HCl/Luft Mischung (1atm, 30°C) gereinigt
werden. Der Volumenstrom des Gases beträgt 200 L/sec und enthält 50 ppm (parts per million auf molarer
Basis) HCl. Als Absorberflüssigkeit wird eine wässrige 1M NaOH-Lösung verwendet, welche den Absorber mit
einem Volumenstrom von 1 L/sec durchströmt. Der Absorber kann vereinfacht als zwei im Gegenstrom in
Kontakt-tretende Filme betrachtet werden (Fig.1), wobei sich eine Grenzschicht von 3 mm ausbildet. Die
Kontaktfläche zwischen Abgas und Absorberflüssigkeit beträgt 40 m2, die Kontaktzeit beträgt 10 sec und somit
ist die gesamte Gasfilmschicht 5 cm breit.
C) Zeichnen Sie qualitativ die zu erwartenden Konzentrationsprofile von HCl für den vorliegenden Fall am
Anfang (Pos.1) in der Mitte (Pos. 2) und am Ende (Pos. 3) des Absorbers mit einer Grenzschicht 3 mm.
-7-
D) Berechnen Sie den totalen Massenfluss jHCl (mol/m2 sec) und die Absorptionsgeschwindigkeit n’HCl
(mol/sec) von HCl.
Hinweis: Berechnen Sie für den totalen Massenfluss die Konzentration von HCl in Abhängigkeit der
Zeit. Beachten Sie, dass der Massenfluss ausgedrückt werden kann als: j =
∂ n HCl
(mol/m2 sec); wobei
∂t ⋅ AK
nHCl: Molzahl HCl und AK: Kontrollfläche.
E) Das Ausgangsgas darf noch 1% der anfänglichen HCl Konzentration enthalten. Erfüllt der Absorber
diese Auflage? Falls nein, wo liegt das Problem?
Pos. 3
1M NaOH-
HCl/Luft
Lösung
Gemisch
Pos. 2
Pos. 1
Grenzschicht 3 mm
Fig. 1: Absorber im Gegenstrom mit Grenzschicht 3 mm.
-8-
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B - ML
Beispiel einer Probeprüfung - Chemieingenieurwissenschaften, 4. Semester
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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 zeitaufwendigeren 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.
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Chemieingenieurwissenschaften I
Prüfung SS 2004 Chem Bio Ing, 4. Semester
Lösung Aufgabe 1.
A) MFR mixed flow reactor
B) PFR plug flow reactor
C) Verdünnen
D) Rührgeschwindigkeit hat keinen Einfluss
E) Abtrennung von Kat
F)
delta p
Uebergang
laminar,turbulent
v
G) Umsatz steigt ca. 60%
H) Nu-Zahl
I) tmax=0.26 sec, 1-XA=exp(-k1*tmax)Æ XA=0.92
J) Ähnlichkeit ausnutzen. Scale-up.
K) Wärmeübergang steigt, da Nu steigt
-1-
Prof. W. J. Stark
Lösung Aufgabe 2.
A) Schritt A: 7 Tage zu lang!!
Schritt B: Chrom: sehr giftig
Schritt C: 48h ist eher lang!!
Schritt D: Trennung aufwändig, Verlust Produkt, Abklärung ob Schritt C enantioselektiv durchgeführt
werden kann.
B) Schritt F: evtl. Dichlormethan ersetzen, Schwefel geruchsbelastung
Schritt G: Diazomethan ist sehr reaktiv, thermischer Runaway möglich
Schritt H: Viel Abfall aus PPh3
Schritt I: Hg giftig, Schwermetall-Abfälle
C) ǻrH/Cp=30°C adiabiate Temperaturerhöhung,
Katalysator würde adiabiate Temp.erhöhung nicht ändern, aber allenfalls die Zeit während der die Wärme
frei wird.
D) UV-Bestrahlung im Rohrreaktor. Siehe UV-Wasserreinigungsanlagen.
E) Annahme Reaktion nullter Ordnung: 90% Umsatz nach t=9 sec; t*0.5mol/(sec L)=4.5mol/L
V=t*Volumenstrom= 9*Volumenstrom [L]
-2-
Lösung Aufgabe 3.
A) PFR da dann eine Reaktion 2. Ordnung gegenüber der Reaktion 1. Ordnung bevorzugt wird.
B
A
B) Überschuss an B, aus 2 Gründen: A ist teuer und sollte vollständig verbraucht werden, und die
Selektivität zu Reaktion 1 kann so erhöht werden.
C) Bei Tiefer Temperatur, da dann die Reaktion 1 im vergleich zu Reaktion 2 schneller ist (k1/k2 ist
verkehrt proportional zur Temperatur).
D) Ja sehr sinnvoll für Reaktion 1 da bei Tiefer Temperatur Reaktionsgeschwindigkeit klein
E) Ja
F) Übergang laminare Strömung zu turbulenter Strömung im Rohrreaktor
G) Für laminar: Nu ~ Re0.5 (Steigung 0.5), turbulent Nu ~ Re4/5 (Steigung 0.8)
H) Im Bereich leichter Turbulenz (am wenigsten Rückmischung)
-3-
Lösung Aufgabe 4.
A) Der Reaktionsmechanismus ändert. Keine Massentrasportlimitierung!!
Stärker Verdünnen ändert an der Kinetik nichts.
B) Massentransportlimitierung, Bestimmen von Thiele Modulus = sqrt(k/Diff)*Lpore; hoher Thiele Modulus
heisst schlechte Effektivität des Kats.
C) Kleinere Kugelgrösse wählen
D) H2O: Re=400000 turbulent; Pr=5.25
NaK: Re=450000 turbulent; Pr=2.5
E) Geschwindikeitsprofil: H2O spitzer als NaK (NaK flacherer Spitz); Temperaturprofil: H2O spitzer als
NaK (NaK flacherer Spitz)
H2O
NaK
Geschwindigkeit und Temp.
F) H2O: Nu=1350; h=27000 W/(m2 K)
NaK: Nu=1100; h=8800 W/( m2 K)
G) Q=h*n*A*deltaT=1GW; A=0.4 m2 Æ H2O: n=470; NaK: n=1430
-4-
Lösung Aufgabe 5.
A) 200 m3/min=8 kmol Gas/min=0.8 kmol SO2 absorbiert/min
Æ Absorbergeschwindigkeit: 50 kg/min und 50 g SO2/ kg H2O
Gasvolumenstrom: 7.2 kmol/min=180 m3/min
B)
Sh
x
.
A) Konzentration von HCl in NaOH-Lösung ist gleich null. Konzentrationsprofil wird linearisiert über
Grenzschicht.
Pos.1
Pos.2
Pos.3
B) 1 mol Gas§25 L;
j=-D (ǻc/ǻx); D=10-5 m2/sec; ǻc0=2mmol/m3;
ǻx=3mm
d(nHCl)/(AK*dt)=-(D/ǻx)*nHCl/Vol;
d(nHCl)/ nHCl =-(D*AK/(ǻx*Vol))*dt
Æ nHCl (t)= nHCl ,0*exp(-(D*AK/(ǻx*Vol))*t)= nHCl ,0*exp(-(D/(ǻx* dSchicht))*t); dSchicht=Vol/AK=5cm
ǻc(t)= ǻc0*exp(-(D/(ǻx* dSchicht))*t)
ǻc(t=5 sec)= 2mmol/m3*exp(-2/3)=1 mmol/m3
ÆjHCl=d(ǻc*Vol)/(AK*dt)=d(ǻc)/dt*Vol/AK=(d(ǻc)/dt)*dSchicht=(1mmol/m3)/10sec*0.05m=5
μmol/(m2 sec)
n’HCl= jHCl*AK=0.2 mmol/sec
C) Die Auflage wird nicht erreicht da cHCl=1 mmol/m3, Massentransportlimitierung!!
-5-
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