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Institut für Chemie und Bioingenieurwissenschaften Prof. W. J. Stark
Chemieingenieurwissenschaften I
Prüfung HS 2008 Chemieingenieurwissenschaften, 4. Semester
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
grösseren 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
26. Januar 2009 10.00 Uhr – 11.30 Uhr HIL E 3
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Aufgabe 1: Einstiegsfragen (total 11 Pkt.)
A) Füllen Sie Punkte (1-6) in dem Phasediagramm aus (0.5 Pkt).
Erklären Sie kurz die Bedeutung der Punkte 4 und 5 (1Pkt).
Tripelpunkt: Tripelpunkt (Dreiphasenpunkt) ist der Punkt, beschrieben durch
Druck und Temperatur, an dem drei Phasen eines Systems im Gleichgewicht
sind.
Kritischer Punkt: In der Thermodynamik ist der kritische Punkt ein
thermodynamischer Zustand eines Stoffes, der sich durch Angleichen der
Dichten von flüssiger- und Gasphase kennzeichnet. Die Unterschiede
zwischen beiden Aggregatzuständen hören an diesem Punkt auf zu existieren.
Im Phasendiagramm stellt der Punkt das obere Ende der Dampfdruckkurve
dar.
B) Ist diese Reaktion Exotherm oder Endotherm? Warum (0.5 Pkt))?
Exotherm: Weniger Energie am Ende als am Anfang.
C) Warum ist die gefühlte Temperatur mit Wind niedrigen als ohne Wind? (1Pkt)
Der Luftfilm über der Haut wird verdünnt. Konvektion erhöht den
Wärmetransport, daher wird mehr Wärme pro Fläche übertrageben.
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D) Was ist der Vorteil von dimensionslosen Kennzahlen? (1Pkt)
Vergleiche zwischen Transport und Wärmeproblemen, Scale up
E) Wie kann eine Strömung einfach beschreiben werden? (1Pkt)
Reynolds Zahl
F) Was für ein Reaktor würden Sie für eine stark exotherme Reaktion benutzen?
Warum? (1Pkt)
Plug Flow
G) Was ist die adiabatische Temperatur einer Reaktion? Was ist der Unterschied
zwischen adiabatisch, isotherm und isobar? (1Pkt)
Die Temperature der System wird erreichen ohne Wärme austaucht.
Adiabatisch: Kein Wärmetransport
Isotherm: Bleibt immer mit den gleichen Temperaturen
Isobar: Bleibt immer mit dem gleichen Druck
H) Was für einen Reaktortyp (IDR oder PFR) braucht man um eine höhere
Ausbeute zu erhalten, falls die Reaktionsordnung n ≥ 1 ist? (1Pkt)
PFR
I) Welche Bedingung muss die Energiebilanz eines IDRs erfüllen, damit ein
Runaway verhindert werden kann? (1Pkt)
dE/dt = 0
J) Mit welchen chemischen Reaktortyp ist ein Fermentationsreaktor verwandt?
(1Pkt)
Batch
K) Nennen Sie einen Vorteil und einen Nachteil wenn chemische Reaktionen im
Industriemassstab in verdünnter Reaktionslösung durchgeführt werden. (1Pkt)
Weniger Runaways Risiko, Kinetics geht langsamer
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Aufgabe 2: Industrielle organische Chemie (total 10 Pkt.)
Thienamycin (5) wurde in den späten siebziger Jahren in dem Fermentationsmedium
der Streptomyces cattleya Bakterien endeckt. Es ist eines der wirksamsten in der
Natur vorkommenden Antibiotika welches sowohl gegen Gram-positive als auch
Gram-negative Bakterien wirkt. Aufgrund seiner Wirksamkeit wird es nur bei
schweren Infektionen oder Unverträglichkeiten gegenüber anderen Antibiotika
verwendet. In seiner natürlichen Form ist Thienamycin nicht stabil und zersetzt sich
leicht, deshalb wird als aktive Substanz ein Derivat benutzt welches zusätzlich mit
einem Enzyminhibitor verabreicht wird um den Abbau des Antibiotika zu
verlangsamen.
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Me
(4)
Me
OH H
O
OH H
O
k)
HgCl 2,HgO,
MeOH, H 2O,
H
NH
N 2
O
Me
CO 2pNB
o) Rh(OAc) 2 (cat.)
PhH or PhCH 3
H
N
O
CO 2pNB
OH H
O
Im =
H
NR
N
N
O
SiMe 3
pNB = CH 2C 6H 4-p-NO 2
p)
n)
1. HCl, MeOH
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l)
H 2O 2,MeOH,
H 2O
2. p-HO 2CC 6H 4SO 2N 3,Et 3N,
CH 3CN,0to20°C
1. ClP(O)(OPh) 2, 4-DMAP (cat.),
i-Pr 2NEt, CH 3CN, 0 °C
2.
(5)
NHCO2pNB HS
i-Pr2NEt, CH3CN, -5 °C
K-Selectride = B- Me Me
H
Me
K +
TFAA =
F 3C
O O
O CF 3
Me
Me
4-DMAP =
Me
Me
OH H
O
H
NR
OH
1. Im 2CO,
THF, 25 °C m)
2. Mg(O 2CCH 2CO 2pNB) 2
THF, 25 °C
Me
Me Me
N
OH H
O
Me
H
N
OH H
O
S
CO 2pNB
H
NR
O
O
CO 2pN
B
NHCO 2pNB
N
.
K.C. Nicolaou, E.J. Sorensen, „Classics in Total Synthesis“, 1996, Wiley-VCH, Weinheim

A) Beurteilen Sie die Schritte a) – f) nach ihrer Durchführbarkeit im grösseren
Masstab. Bitte antworten Sie stichwortartig. (2.5 Punkte)
a) Et3N sehr basisch, H2O sensitiv
b) H2O sensitiv, Säure
c) H2 Entstehung möglich
d) basisch, H2O sensitiv
e) teures reagenz, H2O sensitiv
f) tiefe Temp, Herstellung lithiertes reagenz (b,d je 0.25 Punkte sonst 0.5 Punkte)
B) Beurteilen Sie die Schritte k) – q) nach ihrer Durchführbarkeit im grösseren
Masstab. Bitte antworten Sie stichwortartig. (3.5 Punkte)
k) Hg sehr giftig, Abfallprodukte
l) Explosionsgefahr
m) Imidazol giftig, Herstellung Mg Reagenz
n) basisch, azid chemie gefährlich
o) teurer Kat, Lösungsmittel besser Toluol
p) H2O sensitiv, basisch
q) Vorsicht Wasserstoff, Kat (je Schritt 0.5 Punkte)
C) Welches der Zwischenprodukte (2) – (5) sollte am Besten gereinigt werden?
(1 Punkt)
(5), da Hg nicht im Prozess verschleppt werden sollte (1 Pkt)
(4), da Enantiomerenrein (0.5 Pkt)
D) Welches in der Natur vorkommende Molekül könnte zur Herstellung von (1)
dienen? (1 Punkt)
L-Asparaginsäure (Aminosäure) (1 Pkt)
E) Ausgehend von (2) gibt es zwei Alternativen (Reaktionsschritte h) oder g+j)) zur
Herstellung von (4), welchen Route würden Sie empfehlen, falls eine hohe
Ausbeute an (4) gewünscht wird? Ist dies der kosteneffizienteste Weg? Warum?
(1 Punkt)
Route h) + j): Ausbeute = 71.3 %
Route g)+i)+j): Ausbeute = 74.3% Trennung von A nach g) Ausbeute = 85.6 %
Route g+i+j) mit Trennung von A (0.5 Pkt) (ohne Trennung 0.25 Pkt),
Kosteneffizienteste Variante h+j), weil weniger Schritte, weniger Abfall und
Ausbeute nicht viel geringer. (0.5 pkt)
F) Weshalb wird Thienamycin synthetisch hergestellt und nicht durch einen
Biotechnologischen Prozess mithilfe der Bakterien hergestellt und anschliessend
isoliert? (1 Punkt)
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Bioprozess ist langsamer, aber wichtiger, da Thienamycin hoch wirksam ist liegt
es nur in sehr geringen Mengen vor und es ist instabil deswegen Trennung
schwer. (1 Punkt)
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Aufgabe 3: Ideale Reaktoren (total 10 Pkt.)
Die Aufnahme von Zucker zur Energieversorgung des menschlichen Körpers kann
durch ein vereinfachtes Modell dargestellt werden.
Glukose K
Glukose im Blut
Ein Mensch überlegt sich, ob er sich energietechnisch ausschliesslich von einem
Süssgetränk (cGlukose = 1 mol/l) ernähren kann. Der tägliche Konsum von 3 Liter kann
als kontinuierlich angenommen werden.
Die Aufnahme von Glukose in den Blutkreislauf geschieht in der Speiseröhre (S), im
Magen (M) und im Darm (D).
Folgende Angaben werden Ihnen zur Verfügung gestellt:
- Speiseröhre: VS = 100 cm 3
ks = 0.0005 h -1
- Magen: VM = 2 Liter
kM = 0.01 h -1
- Darm: VD = 7 Liter
kD = 0.09 h -1
Darm
A) Können Sie die Aufnahme von Glukose im Körper durch das Anordnen von
idealen Reaktoren darstellen? Zeichnen Sie das Konzentrations-Zeit Diagramm
für das Reaktorensystem. (1.5 Pkt)
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c
Die Aufnahme der Glukose im menschlichen Körper kann durch eine
Kombination von einem PFR, IDR und PFR vereinfacht dargestellt werden.
B) Kann das System noch weiter vereinfacht werden? Betrachten Sie dazu die
unterschiedlichen Volumina und Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten während
der Verdauung und erklären Sie. (1 Pkt)
PFR
Speiseröhre
C) Wie gross ist die Konzentration an Glukose im Magen und am Ende des Darms
unter Annahme des vereinfachten Systems? (3 Pkt)
IDR: Qcin – Qc + rV = O r = - kc
Q cin
c = 0.86 mol / l
Q kV
PFR:
0
IDR
Magen
dc
Q r kc
dV
kV
c cin
exp
= 0.0056 mol / l
Q
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t
PFR
Darm

D) Wie Effizient ist die menschliche Verdauung bezüglich der Nahrungsaufnahme
von Glukose? Wo wird vom Körper am meisten Glukose aufgenommen? (1.5 Pkt)
Der Gesamtumsatz der Glukose-Aufnahme während der Verdauung entspricht:
c
c
X
in
cin
= 99.4 %
Die Glukose wird vorallem im Darm aufgenommen.
E) Ist es für die Aufnahme der Glukose sinnvoller mehr Flüssigkeit mit einer
geringeren Glukosekonzentration zu trinken unter Beibehaltung der täglichen
Glukosemenge von 3 Mol (z.B. 6 Liter von einem Süssgetränk mit cGlukose = 0.5
mol/l)? Begründen Sie (2 Pkt).
IDR: Qcin – Qc + rV = O r = - kc
Q cin
c = 0.46 mol / l
Q kV
dc
PFR: Q r kc
dV
kV
c cin
exp
= 0.04 mol / l
Q
Umsatz = 92.6 %
Für die Glukoseaufnahme ist es ist effizienter eine kleinere Flüssigkeitsmenge
mit einer höheren Glukosekonzentration zu trinken.
F) Die 3 Liter vom Süssgetränk werden nun nicht mehr kontinuierlich getrunken,
sondern je 1 Liter alle 8 Stunden. Der Abfluss Q aus dem Magen beträgt 1/8 Liter pro
Stunde. Untersucht wird ausschliesslich die Glukose Konzentration im Magen.
Schreiben Sie die allgemeine Molbilanz für diesen Fall. (1 Pkt)
dN
Qcout
rV
dt
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Aufgabe 4: Parallele Reaktionen (total 10 Pkt.)
Anilin (A) und Ethanol (B) reagieren in der Flüssigphase zum gewünschten Produkt
Monoethylanilin (R) und zum ungewünschten Nebenprodukt Diethylanilin (S). Die
Reaktion wird durch Schwefelsäure katalysiert. Das Verhälnis k1/k2 ist 1.
C 6H 5NH 2 +C 2H 5OH
C 6H 5NHC 2H 5 +C 2H 5OH
k 1
H 2SO 4
k 2
H 2SO 4
C 6H 5NHC 2H 5 +H 2O
C 6H 5N(C 2H 5) 2+H 2O
Die Reaktion kann schematisch wie folgt dargestellt werden:
A) Geben Sie die kinetischen Gleichungen für Anilin (A) und Monoethylanilin (R)
an ohne sie zu lösen. (1 Punkt).
dcA/dt = -k1cAcB
dcR/dt = k1cAcB – k2cRcB
B) Sowohl Anilin (A) als auch Monoethylanilin (R) reagieren mit Ethanol (B).
Spielt es für die Ausbeute an gewünschtem Produkt Monoethylanilin eine
Rolle, wie Sie die beiden Reaktanden Anilin und Ethanol zusammenmischen?
Erklären Sie die untenstehenden Fälle kurz (3 Punkte).
Fall 1 Fall 2 Fall 3
Anilin
EtOH Anilin
EtOH
Fall 1: Ethanol liegt im Überschuss vor. Dies bedeutet, dass Anilin sofort zu
Monoethylanilin reagiert, und letzteres sofort zu Diethylanilin weiterreagiert.
Kein Monoethylanilin vorhanden (1 Punkt)
Fall 2: In diesem Fall liegt Anilin im Überschuss vor, und Ethanol wird
zugegeben. Alles Ethanol reagiert sofort mit Anilin zu Monoethlyanilin. Dieses
kann dann aber wegen Ethanolmangels nicht weiterreagieren. Wenn dann
wieder Ethanol zugegeben wird, kompetitieren Anilin und Monoethylaniline um
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Anilin EtOH

Konzentration im Becher
das Ethanol. Da aber Anilin noch im Überschuss ist wird immer noch
Monoetyhlanilin produziert. Dies passiert solange Monoethylaniline
konzentrationsbedingt nicht konkurenzfähig ist. Dann durchläuft die
Monoethylanilinkonzentration ein Maximum und nach der Zugabe von 2mol
Ethanol auf 1mol Anilin resultiert eine reine Diethylanilinlösung. (1 Punkt)
Fall 3: Analoger Verlauf wie 2, da Anilin und Monoethylaniline konkurrieren.
Gewinner ist der, der in höherer Konzentration vorliegt. (1 Punkt)
C) Betrachten Sie die Fälle 2 & 3. Vergleichen Sie die Produkteverteilung und die
Reaktionszeiten ( = Zeit bis Reaktion abgeschlossen ist)? Begründen Sie. (2
Pkt)
Das Mischen von B hat keinen Einfluss auf die Produkteverteilung, da beide
Reaktionen erster Ordnung bezüglich B sind. Der Semibatch-Reaktor in Fall B
und der Batch-Reaktor in Fall C zeigen bezüglich Produkteverteilung dasselbe
Verhalten, jedoch unterschieden sie sich in ihrer Geschwindigkeit: im
Batchreaktor ist die Reaktion schneller abgeschlossen.
D) Zeichnen Sie qualtitativ die Konzentrationsverläufe von Anilin (A), Ethanol (B),
Monoethylanilin (R) und Diethylaniline (S) für die drei oben genannten Fälle
auf (3 Punkte).
Fall 1 Fall 2 Fall 3
Mol Anilin zugegeben
Konzentration im Becher
Mol Ethanol zugegeben Mol Ethanol reagiert
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Konzentration im Becher
1 2 1 2
Fall 1: Semibatch mit Anilin als Feed.Anilin ist immer null, Ethanol reagiert
sofort zu Diethylanilin weg, kein Monoethylanilin (1.5 Punkte: 0.5 Pkt dass kein
Anilin solange Ethanol, 0.5 Pkte dass kein Monoethylanilin, 0.5Punkte:
Diethylanilin konstant sobald kein Ethanol mehr)
Fall 2 & 3 sind identisch. Semibatch mit Ethanol als Feed oder Batch.Anilin
sinkt Monoethylanilin durchläuft ein Maximum, Nach Zugabe von 2 mol
Ethanol pro mol Anilin nur noch Diethylanilin. (1.5 Punkte: 0.5 Pkte dass beide
Fälle identisch, 0.5 Pkte dass Monoethylanilin Maximum durchläuft, 0.5Pkte)

E) Betrachten Sie Ihre Resultate aus Teilaufgabe C und D und schlagen Sie
einen geeingneten kontinuierlichen Reaktoraufbau für eine maximale
Ausbeute von Monoethylanilin vor. Begründen Sie Ihre Wahl in einem Satz. (1
Punkt)
Aufgabe 5: Wärmetransport (total 9 Pkt.)
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An einem kalten Wintertag unternehmen Sie mit Ihren Freunden einen
Schlittelausflug nach Bergün. Zur Stärkung begeben Sie sich über den Mittag in ein
nahegelegenes Restaurant, wobei über die Mittagszeit der Rodelweltcup in St. Moritz
im Fernsehen übertragen wird. Da Sie von der Geschwindigkeit und dem Eiskanal
fasziniert sind, machen Sie sich ein paar Gedanken zu dem Sport.
Annahmen:
Aussentemperatur: T1 = -5°C
Körpertemperatur: T2 = 37°C
Dichte der Luft: ρ = 1.3 kg/m 3
Dyn. Viskosität der Luft: μ = 17.1 10 -6 Pa s
Wärmekapazität der Luft: cp = 1.0 kJ/kg/K
Wärmeleitfähigkeit der Luft: λL = 0.026 W/m/K
Wärmekapazität des Körpers: cp = 4.3 kJ/kg/K
Masse des Körpers: M = 70 kg
Umrechnung: 1 Meile = 1.609 km
A) Ein Rodelsportler trägt eine sogenannte „Thermounterwäsche“, welche den
Körper bei winterlichen Aktivitäten warm hält. Sie hat eine Wärmeleitfähigkeit von
0.03 W/m/K und einen Wärmeübergangkoeffizienten von 10 W/m 2 /K. Wie dick ist
sie? (1 Pkt)
W
0.03
d mK 0.003m 3mm
W
10
2
mK
B) Zusätzlich tragen die Rodelsportler einen dünnen Rennoverall. Zeigen sie
qualitativ den Temperaturverlauf vom Innern des Körpers über die
„Thermounterwäsche“ und den Rennoverall nach aussen. Nehmen Sie an, dass
die Körperoberflächentemperatur konstant ist und der Rennoverall einen
niedrigeren Wärmeübergangskoeffizienten als die „Thermounterwäsche“ hat. (2
Pkt)
C) Ist es vorteilhaft sich mit einem dickeren Overall oder der „Thermounterwäsche“
und einem dünneren Overall anzuziehen um nicht zu frieren? Bitte begründen Sie
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Ihre Entscheidung und nehmen Sie an, dass sich die Gesamtdicke nicht
unterscheidet. (1 Pkt)
Es ist vorteilhaft sich nach dem Zwiebelprinzip anzuziehen, da sich zwischen den
Kleidungsstücken Luft befindet, welche als weiterer Widerstand für den
Wärmübergang dient.
D) Die Fahrtgeschwindigkeit eines Rennrodlers gemittelt über die gesamte Strecke
beträgt 50 Meilen pro Stunde. Da ein Rodler auf seinem Schlitten liegt, können
Sie ihn als Zylinder annehmen, welcher liegt und sich horizontal zum Boden
bewegt. Dieser Zylinder hat eine Länge von 2 m und einen Durchmesser von 50
cm. Da der Körperdurchmesser aber deutlich grösser ist als die
Grenzschichtdicke, können Sie den angeströmten Zylinder als ebene Oberfläche
behandeln, woraufhin folgende Nusseltkorrelation für den Wärmeübergang gilt:
0.8 0.43
Nu 0.0296Re Pr
Berechnen Sie den kühlenden Strom. (3 Pkt)
Meilen kg
50 2m1.3 vL 3
c
6
Re h m 3.410 6
1.7110 Pa s
kJ
6
1.0 1.7110 Pa s
cp kg K
Pr 0.66
W
L 0.026
mK Nu
W
0.026 4150
Nu
mK 53.9
W
0.8 0.43 6 0.8 0.43
0.0296 Re Pr 0.0296 (3.4 10 ) (0.66) 4150
L
Lc2m 2
m K
W 0.5m
PKühl TA53.9 42K 2 2m 7118W
2
m K 2
E) Auf welche Temperatur ist der Körper im Ziel an der Oberfläche abgekühlt, wenn
Sie annehmen, dass zu Beginn der Fahrt die Oberflächentemperatur 37°C, die
Wärmeproduktion im Vergleich zum kühlenden Strom vernachlässigbar ist, die
gesamte Fahrt 50 Sekunden dauert und der Rennoverall sowie die
„Thermounterwäsche“ keine limitierenden Faktoren für den Wärmeübergang
sind? Kommentieren Sie bitte das Ergebnis in Bezug auf die Zeit. (2 Pkt)
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Wärmebilanz
dE dcMT ( p ) dT
PWärme PKühl cpM
dt dt dt
( PWärme PKühl
)
Tt () T0 t
cM p
0 7118W
T(50 s) 310K 50s 308.8K
kJ
4.3 70kg
kg K
Obwohl der Rennrodler weniger als 1 Minute unterwegs ist, kühlt sein Körper
schon um 1° ab und er kann froh sein, dass es keine längeren Bahnen gibt.
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Institut für Chemie und Bioingenieurwissenschaften Prof. W. J. Stark
Chemieingenieurwissenschaften I
Deckblatt
Prüfung HS 08 Chemieingenieurwissenschaften, 4. Semester
Name:______________________________________
Vorname: ___________________________________
Immatrikulationsnummer: ________________________
Punkte von
Aufgabe 1 11 Punkte
Aufgabe 2 10 Punkte
Aufgabe 3 10 Punkte
Aufgabe 4 10 Punkte
Aufgabe 5 9 Punkte
TOTAL 50 Punkte
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