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Aufgabe 1: (2 + 8 + 3 + 7 = 20 Punkte)
Biomassenutzung
Ein Sägewerk möchte zur Eigenversorgung des Betriebs mit Elektrizität und Wärme
ein Blockheizkraftwerk errichten. Als Brennstoff sollen Holzabfälle vergast werden, die
aus der eigenen Produktion stammen. Das entstehende Brenngas wird nach
anschließender vollständiger Trocknung in einem Gasmotor verbrannt.
Fragen:
1.1 Berechnen Sie den benötigten Strom an tockenem Brenngas bei einer geforderten
elektrischen Leistungsbereitstellung von 500 KW.
1.2 Berechnen Sie die Zusammensetzung des nassen Rohgases.
Annahmen:
- Holzumsatzgrad U Holz = 1
- Holz besteht ausschließlich aus Zellulose (C 6 H 10 O 5 )
- Die Vergasung erfolgt mit Luft (80 % N 2 , 20 % O 2 ) und mit der im Holz enthaltenen
Feuchte (Wassergehalt von Holz: X H2O = 21 Ma-%)
- Gaskomponenten im Rohgas: H 2 , N 2 , H 2 O, CO, CO 2 , CH 4
Über die Zusammensetzung des feuchten Rohgases ist Folgendes bekannt:
y N2,feucht = 0,24
y H2,feucht = 2 . y CO2,feucht
y CO,feucht = y CO2,feucht
1.3 Berechnen Sie den benötigten Massestrom an nassem Holz.
1.4 Neben der Eigennutzung der Holzabfälle besteht alternativ die Möglichkeit,
die vorhandenen Abfälle an ein Kohlekraftwerk zur Co-Verbrennung zu verkaufen.
Wieviele Jahre muss das Blockheizkraftwerks mindestens betrieben
werden, damit die Selbstversorgung mit Energie gegenüber dem Verkauf des
Abfallholzes rentabel wird. Wenden Sie für die Berechnung die Kapitalwertmethode
an.
Rechnen Sie mit einem Holzmassenstrom von 545 kg/h.
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Daten:
η EL,BHKW = 39 %
H U,Rohgas = 7000 kJ/m
3
N
spezifischer Investitionsaufwand: k Sp,BHKW = 2000 EUR/kW el
Volllaststunden: 4000 h/a
Preis der Holzabfälle zum Weiterverkauf: P HOLZ = 30 EUR/t
spezifische Einsparung bei Versorgung über BHKW: e BHKW = 0,12 EUR/kWh
Interner Zinssatz des Sägewerks: z int = 0,1/a
Vereinfachung: ( I + b) – n
∑ n
=
I–
( I+
b) – n
----------------------------
b
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Aufgabe 2: (2 + 14 = 16 Punkte)
Reaktionskinetik
Eine Säure A wir mit Hilfe des Neutralisationsmittels B nach der folgenden Reaktionsgleichung
A + B => 2C neutralisiert. Die Reaktion verläuft in stark verdünnter Lösung
bezüglich der Säure A und nach einem Geschwindigkeitsgesetz "pseudo-erster" Ordnung
mit
r A = - k·c A und k = 2·10 -4 s -1
Fragen:
2.1 Schreiben Sie die allgemeine Stoffmengenbilanz für den Rührkessel in Konzentrationsschreibweise
auf. Es kann dabei von einem konstanten Volumen
der Reaktionslösung und von einer volumenkonstanten Reaktion ausgegangen
werden (mit Skizze).
2.2 Berechnen Sie die Umsätze und die Endkonzentrationen der Säure A für folgende
ideale, stationär betriebene Reaktoren.
a.) kontinuierlich betriebener Rührkessel mit einem Reaktorvolumen von V R =
5,4 m 3 .
b.) Strömungsrohr mit einem Reaktorvolumen von V R = 5,4 m 3 .
c.) Rührkesselkaskade, bestehend aus zwei kontinuierlich betriebenen Rührkesseln
mit je einem Reaktorvolumen von V R = 2,7 m 3 .
Die Konzentration an Säure A am Reaktoreingang beträgt 0,5 mol/l, der Volumenstrom
1,8 m 3 /h.
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Aufgabe 3 : (2 + 4 + 4 + 3 + 6 = 19 Punkte)
Synthesegaserzeugung
Die Synthesegaserzeugung gehört zu den wichtigsten Verfahren in der chemischen
Industrie, da eine Reihe von wichtigen Grundchemikalien aus Synthesegas hergestellt
wird.
Fragen:
3.1 Die Prozeßführung bei der Synthesegaserzeugung kann sowohl allotherm als
auch autotherm erfolgen. Erklären sie die zwei Begriffe.
3.2 Die Synthesegasherstellung aus Kohlenwasserstoffen kann durch Dampfreformieren
erfolgen. Welche Reaktionen laufen dabei ab? Nehmen Sie zur
Darstellung allgemein die Summenformel C n H (2n+2) für gesättigte Kohlenwasserstoffe
an. Nennen Sie für den Fall n=1 (d.h. Methanreformierung) die
Reaktionsbedingungen, die Reaktorform und den verwendeten Katalysator.
3.3 Nennen sie vier Verfahren bei denen Synthesegas als Ausgangsstoff verwendet
wird und stellen sie die Brutto-Reaktionsgleichungen dar.
3.4 Skizzieren Sie qualitativ das Verhältnis H 2 :CO im Synthesegas in Abhängigkeit
der Anzahl n der Kohlenstoffatome im Edukt C n H (2n+2) . Gegen welchen
Grenzwert strebt dieses Verhältnis für sehr langkettige Kohlenwasserstoffe?
3.5 Leiten sie die van't Hoff'sche Reaktionsisobare her und stellen sie den Verlauf
des Gleichgewichtskeffizienten K p in Abhängigkeit von der Temperatur für die
Dampfreformierung von CH 4 dar. Vernachlässigen Sie die Temperaturabhängigkeit
der Reaktionsenthalpie ∆ R H 0 .
Um welchen Faktor verschiebt sich das Gleichgewicht bei einer Temperaturerhöhung
von 1123K auf 1223K? (K p (1123K) / K p (1223K) = ? )
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Aufgabe 4 : (6 + 6 + 2 = 14 Punkte)
Wirtschaftlichkeit
Sie sind der verantwortliche Ingenieur für die Planung einer Verbrennung von biogenen
Reststoffen zur Erzeugung von Prozessdampf für einen großen Firmenindustriekomplex.
Mit dem Betrieb dieser Anlage müssen diese Reststoffe nicht mehr
deponiert werden. Folgende Eckdaten sind Ihnen bekannt :
Massenstrom an Reststoffe
2,5 t/h
Jährliche Betriebsstunden
7.500 h/a
Spezifische Dampfausbeute
3 t Dampf / t Reststoffe
Investitionkosten
3.000.000 EUR
Abschreibungsdauer
10 a (linear)
Kalkulationszinssatz
8 %/a
Spezifische Betriebskosten
45 EUR/t Reststoffe
Spezifische Ersparnis
10 EUR/t Dampf
Spezifische Rohrkosten für D < 700 mm 1.003 EUR/m
Spezifische Rohrkosten für 700 < D 1000 mm 1.433 EUR/m
Gasstrom (ideales Gas) 18.500 m 3 (NPT) /h
Strömungsgeschwindigkeit staubbeladenes Gas
20 m/s
Strömungsgeschwindigkeit nicht staubbeladenes Gas 10 m/s
Fragen:
4.1 Ab welcher Ersparnis (Deponiekosten) wird die Anlage den Break-Even-Point
erreichen, wenn die Anlage nach 10 Jahren keinen Restwert mehr aufweist?
4.2 Die Firma verändert den Aufstellplatz für die Anlage. Hierdurch müssen
zusätzlich 30 m Rohrleitungen für einen staubbeladenen Gasstrom mit 400°C
sowie 20 m für einen von Staub gereinigten Gasstrom mit 200°C installiert
werden. Hierfür werden eine Unterstützungskonstruktion und eine Isolierung
mit einem Investitionsvolumen von 24.000 EUR benötigt. Des Weiteren muss
der Kamin um 15 m erhöht und somit auch ein anderer Ventilator eingesetzt
werden. Dies bedeutet eine zusätzliche Investition von 50.500 EUR. Die
zusätzliche Montage kostet 10.000 EUR. Wieviel zusätzliche Betriebstunden
pro Jahr sind notwendig, damit die Anlage weiterhin den Break-Even-Punkt
erreicht?
4.3 Ist diese Erhöhung an Betriebstunden sinnvoll, wenn die planmäßige Verfügbarkeit
mit 8200 h angesetzt ist (kurze Begründung in Stichworten)?
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Aufgabe 5: (4 + 5 + 6 + 3 + 2+ 4 = 24 Punkte)
Schwefelsäureproduktion - Auslegung des Hordenreaktors
Ein wichtiger Schritt in der Schwefelsäureherstellung ist die Oxidation von Schwefeldioxid
SO 2 . Das SO 2 -haltige Einsatzgas wird mit Sauerstoff an einem V 2 O 5 -Kontakt
katalytisch zu SO 3 umgesetzt. Durch Absorption des SO 3 in H 2 SO 4 erhält man die
gewünschte Schwefelsäure bzw. Oleum.
Fragen:
5.1 Zeichnen Sie ein Grundfließbild der Schwefelsäureherstellung in der Form der
Doppelkatalyse ausgehend von flüssigem Schwefel.
5.2 Zeichnen Sie die Schwefelbrennkammer in der Art eines Verfahrensfließbildes.
Gehen Sie dabei von Luft und einem Vorratstank mit flüssigem Schwefel
aus. Stellen Sie die Regelung des Schwefelstroms und der Luftzahl bei der
Schwefelverbrennung anhand des Fließbildes dar.
5.3 Dem Hordenreaktor wird folgendes Einsatzgas zugeführt:
ySO2 = 0,1
yO2 = 0,1
yN2 = 0,8
a) Stellen Sie einen Zusammenhang auf zwischen der Eintrittszusammensetzung
und der Austrittszusammensetzung einer Horde bei gegeben
SO2-Umsatz
b) Leiten Sie Zusammenhang für adiabate Temperaturerhöhung in einer
Horde her. Gehen Sie davon aus, dass die Reaktionsenthalpie temperaturunabhängig
ist (zu berechnen bei Standardbedingungen).
c) Bestimmen Sie mit Hilfe des angefügten Temperatur-Gleichgewichtsumsatz-Diagramms
den SO2-Umsatz und die Austrittstemperatur des Gases aus
der 1. Horde, wenn dieses mit 437°C eintritt und in der Horde Gleichgewicht
erreicht wird.
d) Ergänzen Sie im Diagramm qualitativ die adiabatischen Reaktionspfade für
die drei nachfolgenden Horden (ohne Zwischenabsorption).
5.4 Eine Horde kann als idealer Propfstromreaktor angesehen werden. Leiten Sie
unter dieser Bedingung folgende Beziehung für die benötigte Katalysator-
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menge her.
m
∫
m
2
dn
n dU
1 SO2
dmKat
= − ΦSO
⋅
mit r'
2,0 ∫
SO = ⋅
2
r'
m dt
2
1
1 2
Um den Reaktor auslegen zu können, muss die Kinetik bekannt sein. Sie greifen
auf die Kinetik von Eklund (Dissertation, Royal Institute of Technology,
Stockholm, 1956) zurück, der intensiv die Schwefeldioxidoxidation an einem
V 2 O 5 -Kontakt untersucht hat.
5.5 Die Eintrittstemperatur des Gasstroms in ein Reaktorbett hat einen großen
Einfluss auf den erzielbaren SO2-Umsatz.
a)Tragen Sie qualitativ für die Eintrittstemperaturen Tein,1

Abbildungen:
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