Musterlösung der Klausur 1 Aufgabe 1 - Biomassenutzung Aufgabe ...
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<strong>Musterlösung</strong> <strong>der</strong> <strong>Klausur</strong> 1<br />
<strong>Aufgabe</strong> 1 - <strong>Biomassenutzung</strong><br />
<strong>Aufgabe</strong> 1.1:<br />
P = 500 kW<br />
el<br />
η = 0,39 (elektrischer Wirkungsgrad des Blockheizkraftwerks)<br />
V<br />
mit P = η * Φ * H<br />
→<br />
V<br />
Φ<br />
el<br />
BG<br />
=<br />
η<br />
el<br />
el<br />
P<br />
* H<br />
el<br />
BG<br />
u,Ruhegas<br />
u,Rohgas<br />
3<br />
500 kW * m m<br />
=<br />
= 0,183<br />
0,39 * 7000kJ s<br />
3<br />
m<br />
= 659<br />
h<br />
3<br />
<strong>Aufgabe</strong> 1.2:<br />
n pro mol C H O <br />
H O<br />
6 10 5<br />
2<br />
~<br />
m<br />
n * M<br />
H O<br />
H O H O<br />
w =<br />
2<br />
=<br />
2 2<br />
~<br />
~ = 0,4<br />
H O<br />
2 m + m<br />
H O Cellulose<br />
n * M + n * M<br />
mit M ~<br />
2<br />
H O H O Cellulose Cellulose<br />
162g/mol und M ~<br />
2 2<br />
=<br />
= 18g/mol<br />
Zellulose<br />
H2O<br />
→ n = 6 mol pro 1mol Cellulose<br />
H O<br />
2<br />
Reaktionsgleichung:<br />
79<br />
C H O + 6 H O + x O + x N → a CO+<br />
b CO + c H + d H O + e CH + f<br />
6 10 5 2 2 21 2<br />
2 2 2 4<br />
7 Unbekannte a -f, x<br />
4 Atom- / Elementbilanzen<br />
3 Setzungen<br />
N<br />
2<br />
(1)<br />
Bilanzen:<br />
C : 6 = a + b + e<br />
O : 5+<br />
6+<br />
2x<br />
= a + 2b<br />
+ d<br />
H : 10+<br />
2⋅6<br />
= 2c<br />
+ 2d<br />
+ 4e<br />
79<br />
N : f = x<br />
21<br />
Vorgaben:<br />
f<br />
y =<br />
= 0,24<br />
N<br />
2 a + b + c + d + e + f<br />
y = 2y<br />
⇒ c = 2a<br />
H CO<br />
2<br />
y = y ⇒ a = b<br />
CO CO<br />
2<br />
(2)<br />
(3)<br />
(4)<br />
(5)<br />
(6)<br />
(7)<br />
(8)
∑ =<br />
=<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
=<br />
=<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
=<br />
=<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
=<br />
=<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
=<br />
=<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
=<br />
=<br />
=<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
=<br />
=<br />
=<br />
=<br />
=<br />
=<br />
=<br />
=<br />
=<br />
+<br />
=<br />
=<br />
−<br />
+<br />
+<br />
−<br />
=<br />
−<br />
+<br />
+<br />
+<br />
=<br />
+<br />
+<br />
+<br />
=<br />
=<br />
+<br />
+<br />
+<br />
=<br />
+<br />
=<br />
1,000<br />
0,240<br />
0,222<br />
0,267<br />
0,134<br />
0,134<br />
0,003<br />
22,197<br />
0,066<br />
Rohgases :<br />
des<br />
Zusammensetzung<br />
1,416<br />
5,327<br />
0,066<br />
4,935<br />
5,935<br />
2,967<br />
2,967<br />
Gesamtsystems :<br />
des<br />
Lösung<br />
4,935<br />
gleich (3b)<br />
(4b)<br />
)<br />
(4<br />
0,5<br />
0,5<br />
22<br />
)<br />
2<br />
4(6<br />
2<br />
4<br />
(2a) in (4a)<br />
)<br />
(3<br />
0,312<br />
4,507<br />
)<br />
2<br />
6<br />
(4<br />
76<br />
24<br />
79<br />
21<br />
2<br />
11<br />
3<br />
und (6a) in (3a)<br />
(2a)<br />
)<br />
(6<br />
)<br />
(4<br />
76<br />
24<br />
)<br />
(4<br />
22<br />
4<br />
2<br />
4<br />
)<br />
(3<br />
79<br />
21<br />
2<br />
11<br />
3<br />
)<br />
(2<br />
2<br />
6<br />
(4)<br />
(3),<br />
(2),<br />
in<br />
(8)<br />
und<br />
(7)<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
4<br />
f<br />
e<br />
d<br />
c<br />
b<br />
a<br />
f<br />
y<br />
f<br />
e<br />
d<br />
c<br />
b<br />
a<br />
d<br />
y<br />
f<br />
e<br />
d<br />
c<br />
b<br />
a<br />
c<br />
y<br />
f<br />
e<br />
d<br />
c<br />
b<br />
a<br />
b<br />
y<br />
f<br />
e<br />
d<br />
c<br />
b<br />
a<br />
a<br />
y<br />
f<br />
e<br />
d<br />
c<br />
b<br />
a<br />
e<br />
y<br />
x<br />
f<br />
e<br />
d<br />
c<br />
b<br />
a<br />
d<br />
b<br />
d<br />
a<br />
a<br />
d<br />
a<br />
b<br />
d<br />
a<br />
a<br />
d<br />
a<br />
d<br />
a<br />
a<br />
e<br />
d<br />
a<br />
f<br />
a<br />
e<br />
d<br />
a<br />
a<br />
f<br />
d<br />
a<br />
a<br />
a<br />
-<br />
e<br />
N<br />
O<br />
H<br />
H<br />
CO<br />
CO<br />
CH
<strong>Aufgabe</strong> 1.3:<br />
n<br />
n<br />
gesucht :spezifische Gasproduktion Φ<br />
BG,<br />
trocken<br />
/ Φ<br />
Holz,<br />
3<br />
3<br />
m m<br />
V<br />
aus A.1.1: Φ<br />
BG,<br />
trocken,<br />
NTP<br />
= 0,183 = 659<br />
s h<br />
mit idealem Gasgesetz :<br />
5<br />
~ pNTP<br />
1,013⋅10<br />
Pa<br />
mol<br />
ρ<br />
N<br />
= =<br />
= 44,61<br />
3<br />
RT<br />
J<br />
NTP<br />
8,314 273,15K<br />
m ( NTP)<br />
mol K<br />
N<br />
V<br />
mol kmol<br />
→ Φ<br />
~<br />
BG,<br />
tr<br />
= ρ<br />
N<br />
* Φ<br />
BG<br />
= 8,163 = 29,389<br />
s<br />
h<br />
aus A 1.2 :<br />
N<br />
Φ<br />
BG,<br />
tr<br />
mol<br />
= a + b + c + e + f = 17,262<br />
N<br />
Φ<br />
Cellulose<br />
mol<br />
N<br />
m ~ N ~<br />
Φ<br />
BG,<br />
tr<br />
Φ<br />
Cellulose<br />
= M<br />
Cellulose<br />
Φ<br />
Cellulose<br />
= M<br />
Cellulose<br />
a + b + c + e + f<br />
kmol<br />
29,389<br />
kg<br />
h kg<br />
= 162 ⋅<br />
= 275,8<br />
kmol kmol h<br />
17,262<br />
kmol<br />
m<br />
m<br />
Φ = Φ<br />
m<br />
m<br />
Φ<br />
Φ<br />
Cellulose<br />
Holz,<br />
feucht<br />
Holz,<br />
feucht<br />
=<br />
m<br />
Holz,<br />
trocken<br />
Holz,<br />
trocken<br />
1 ~<br />
= M<br />
1−<br />
w<br />
=<br />
<strong>Aufgabe</strong> 1.4:<br />
Φ<br />
1<br />
0,6<br />
275,8<br />
1<br />
1−<br />
w<br />
N<br />
Φ<br />
BG,<br />
tr<br />
a + b + c + e<br />
kg kg<br />
= 459,7<br />
h h<br />
Cellulose<br />
+<br />
f<br />
trocken<br />
Net Present Value<br />
NPV<br />
n<br />
Betr<br />
= ∑<br />
(1 + z<br />
n=<br />
1<br />
K<br />
kalk<br />
G,<br />
n<br />
⋅ t<br />
Periode<br />
)<br />
n<br />
− K<br />
A,<br />
O<br />
hier: z kalk =0,1 a -1 und t Periode =1 a<br />
BHKW hat sich amortisiert, wenn gilt: NPV ≥ 0<br />
Für jedes Betriebsjahr gilt:<br />
K<br />
G,<br />
n<br />
= K<br />
Einsparung<br />
− K<br />
Verkauf
Investitionsaufwand für BHKW:<br />
K<br />
A , 0<br />
= PN<br />
⋅ iBHKW<br />
= 500 kW ⋅ 500 € / kW = 250 000 €<br />
Holzmenge pro Jahr:<br />
m<br />
Φ<br />
kg<br />
⋅ 4000h<br />
/ a = 580<br />
h<br />
h<br />
4000<br />
a<br />
m<br />
Holz, jährl.<br />
= Φ<br />
Holz<br />
=<br />
Verkaufserlös Holz:<br />
t €<br />
= 2320 30 = 69600<br />
a t a<br />
K m<br />
€<br />
Φ<br />
Verkauf<br />
= Φ Holz<br />
⋅ P Holz<br />
2320<br />
Jährliche Einsparung:<br />
K = P ⋅ B ⋅ e = 500 kW ⋅ 4000 h ⋅ 0,05 € / kWh = 100000 €<br />
Einsparung<br />
N<br />
BHKW<br />
Berechnung des Kapitalwertes:<br />
A) Anschaffung BHKW<br />
B) Verkauf Abfallholz<br />
K<br />
G<br />
, n<br />
= 100000 € − 69600 € =<br />
Bedingung (s.o.): NPV ≥ 0<br />
30400 €<br />
t<br />
a<br />
⇒<br />
n Betr<br />
∑<br />
n=<br />
1<br />
30400 € / a<br />
n<br />
(1,1)<br />
= 250 000 €<br />
Mit Vereinfachung aus Potenzreihenansatz (angegeben):<br />
−n<br />
− n I − ( I + b)<br />
∑( I + b)<br />
=<br />
b<br />
n<br />
b=0,1<br />
nBetr<br />
30 400 €<br />
∑ = 30400 €<br />
n<br />
(1,1)<br />
n=<br />
1<br />
mit : a<br />
(1,1)<br />
−n<br />
x<br />
= e<br />
x ln a<br />
250 000<br />
= 1−<br />
⋅ 0,1 = 0,1776<br />
30 400<br />
ln(0,1776)<br />
n = − = 18,1<br />
ln(1,1)<br />
n<br />
Betr<br />
∑<br />
n=<br />
1<br />
(1 + 0,1)<br />
−n<br />
1−<br />
(1 + 0,1)<br />
= 30400 € ⋅<br />
0,1<br />
−n<br />
= 250 000 €<br />
Das BHKW amortisiert sich nach 18 Jahren.
<strong>Aufgabe</strong> 2 - Steamreforming / Methanolsynthese<br />
<strong>Aufgabe</strong> 2.1:<br />
Berechnung <strong>der</strong> mittleren Molmasse:<br />
M ~ = ∑ y M~ i i<br />
<br />
M ~ = 0,842*16g/mol + 0,086*30g/mol + (0,033+ 0,018)*44g/mol + 0,021*28 g/mol = 18,88 g/mol<br />
<strong>Aufgabe</strong> 2.2:<br />
V Φ<br />
n<br />
= 200 000 m³/h = 55,56 m³/s Erdgas<br />
w =<br />
V<br />
Φ<br />
A<br />
n<br />
1<br />
=<br />
A<br />
V<br />
Φ<br />
n<br />
⋅<br />
T<br />
T<br />
n<br />
p<br />
n<br />
p<br />
1<br />
=<br />
π ⋅ (0,225m)<br />
m<br />
200000<br />
s<br />
3600<br />
3<br />
285,15K<br />
1bar<br />
273,15K<br />
70bar<br />
2<br />
=<br />
5,28 m / s<br />
ρ<br />
m<br />
=<br />
V<br />
5<br />
p ~ 70⋅10<br />
Pa<br />
kg<br />
= M =<br />
18,88 /1000<br />
R ⋅T<br />
J<br />
8,314 ⋅ 285,15K<br />
mol<br />
molK<br />
Erdgas<br />
Erdgas<br />
=<br />
Erdgas<br />
55,7<br />
kg / m³<br />
w ⋅ d w ⋅ d ⋅ ρ<br />
Erdgas<br />
6 d<br />
Re = =<br />
= 12,4 ⋅10<br />
, = 4500 → Nikuradse → λ ≈ 0,0145<br />
ν η<br />
k<br />
kg<br />
55,7<br />
l ρ 100000m<br />
3<br />
m m<br />
6<br />
∆p = λ u²<br />
= 0,0145 (5,2 )² = 2,4 ⋅10<br />
Pa = 24bar<br />
d 2 0,45m<br />
2 s<br />
Die Annahme einer konstanten Geschwindigkeit w ist falsch.<br />
Rechnung entwe<strong>der</strong> abschnittsweise mit für jeden Abschnitt konstante<br />
Geschwindigkeit o<strong>der</strong> direkt über Differentialgleichung.<br />
L<br />
dp ρ w<br />
λ( = ∫ dx<br />
p ) w ( p ) d<br />
0 2
<strong>Aufgabe</strong> 2.3<br />
CoMo<br />
ZnO/MeOH<br />
Dampf<br />
Ni<br />
Erdgas<br />
Entschwefelung<br />
Absorption/<br />
Wäsche<br />
Reformer<br />
Wärmeübertragung<br />
Shift<br />
Syngas<br />
H 2<br />
Autothermer<br />
Reformer<br />
<strong>Aufgabe</strong> 2.4<br />
Reaktionsgleichung:<br />
CH 4 + H 2 O (g) CO + 3 H 2<br />
∆ r H steamref =∑ν<br />
∆<br />
i<br />
B<br />
H<br />
i<br />
= – 110,53 kJ/mol – (– 74,81 – 241,82) kJ/mol = 206,1 kJ/mol<br />
Mindestsauerstoffbedarf:<br />
mol<br />
Omin<br />
= 0,842 ⋅ 2 + 0,086 ⋅3,5<br />
+ 0,033⋅5<br />
= 2,15<br />
mol<br />
mol<br />
O = Omin<br />
⋅1,1<br />
= 2,365<br />
mol<br />
Reaktionsgleichung für die Verbrennung von Erdgas mit λ = 1,1:<br />
0,<br />
842 CH<br />
4<br />
+ 0,<br />
018 CO<br />
4<br />
2<br />
⎛<br />
79 ⎞<br />
+ ⎜0,<br />
021+<br />
11 , ⋅ 215 , ⋅ ⎟ N<br />
⎝<br />
21⎠<br />
0,<br />
842 CH + 0,<br />
086 C H<br />
→ 1,131 CO<br />
+ 0,<br />
086 C H<br />
2<br />
2<br />
+ 0,<br />
021 N<br />
2<br />
+ 2,074 H<br />
2<br />
2<br />
6<br />
2<br />
6<br />
+ 0,<br />
033 C H<br />
O + 8,918 N<br />
2<br />
3<br />
+ 01 , ⋅ 215 , O<br />
3<br />
2<br />
8<br />
→ ( 1⋅<br />
0,<br />
842 + 2 ⋅ 0,<br />
086 + 3⋅<br />
0,<br />
033)CO<br />
+ 0,<br />
033 C H<br />
8<br />
2,<br />
15<br />
6444444<br />
7444444<br />
8<br />
+ 11 , ( 2 ⋅ 0,<br />
842 + 7/<br />
2 ⋅ 0,<br />
086 + 5⋅<br />
0,<br />
033)<br />
⋅(O<br />
+ 11 , ⋅ 2,15⋅(O<br />
+ 0,215 O<br />
2<br />
2<br />
2<br />
+ ( 2 ⋅ 0,<br />
842 + 3⋅<br />
0,<br />
086 + 4 ⋅ 0,<br />
033)H<br />
+ 79/<br />
21N<br />
2<br />
) + 0,<br />
018 CO<br />
2<br />
2<br />
+ 79/<br />
21 N<br />
+ 0,<br />
021 N<br />
2<br />
2<br />
)<br />
2
Vereinfachung: Alle Eduktgase bei T=25 °C also Standardbedingungen<br />
Berechnung von gemitteltem c p :<br />
Abgaszusammen<br />
c p c p *n<br />
-setzung<br />
CO2 1,131 37,11 41,97<br />
H2O 2,344 33,58 78,71<br />
O2 0,215 29,36 6,31<br />
N2 8,918 29,13 259,78<br />
∑ 12,608 514,23<br />
c 514,23 kJ<br />
p =<br />
= 30,<br />
12,608 kmol K<br />
68<br />
kJ<br />
kmol<br />
K<br />
Durch Verbrennung ist aufzubringen:<br />
Q<br />
Q<br />
Q n<br />
Φ = Φ+ Φ c (825 − 25)<br />
K<br />
Verbr<br />
n<br />
Φ= Φ x ∆<br />
R<br />
H<br />
RG<br />
V<br />
n Φ kmol<br />
mit idealem Gasgesetz: Φ =<br />
3<br />
22,41<br />
m<br />
Q<br />
3<br />
200 000 m 206,1<br />
Φ = x<br />
22,41<br />
p<br />
MJ<br />
h<br />
= 1,839<br />
GJ<br />
x<br />
h<br />
n<br />
Q<br />
Φ<br />
Φ<br />
RG<br />
Verbr<br />
n<br />
= (1 − x)<br />
Φ<br />
= 1,839<br />
= x 1,839<br />
Erdgas<br />
GJ<br />
x<br />
h<br />
GJ<br />
h<br />
mol<br />
12,608<br />
mol<br />
3<br />
200 000 m kmol<br />
+ (1 − x)<br />
3<br />
22,41 m h<br />
+ (1 − x)<br />
3,672<br />
GJ<br />
h<br />
Aufgebracht werden durch die Verbrennung:<br />
mol<br />
12,608 30,68<br />
mol<br />
kJ<br />
kmol<br />
K<br />
800 K<br />
Q<br />
Φ<br />
n<br />
Verbr, angeb.<br />
= ( 1−<br />
x ) Φ<br />
Erdgas<br />
H<br />
u,<br />
Erdgas<br />
Berechnung von H u,Erdgas:<br />
CH 4 + 3 O2<br />
→ CO2<br />
+ 2 H 2O<br />
∆<br />
R<br />
H = −393,51+<br />
2 ⋅ ( −241,82)<br />
− ( −74,81+<br />
0) = −802,<br />
34<br />
kJ<br />
mol
C2H<br />
6 + 4O2<br />
→ 2 CO2<br />
+ 3 H 2O<br />
kJ<br />
∆<br />
R<br />
H = −1427,78<br />
mol<br />
C3H8<br />
+ 5 O2<br />
→ 3 CO2<br />
+ 4 H 2O<br />
∆<br />
H<br />
R<br />
u<br />
H<br />
= −2043,81<br />
MJ<br />
= −865,8<br />
kmol<br />
kJ<br />
mol<br />
= −(0,842<br />
⋅802,34<br />
+ 0,086 ⋅1427,78<br />
+ 0,033⋅<br />
2043,81)<br />
Es werden jetzt gleichgesetzt:<br />
kJ<br />
mol<br />
Q<br />
Φ<br />
Q<br />
Verbr, angeb.<br />
= ΦVerbr,<br />
aufzubringen<br />
3<br />
200 000 m kmol<br />
1−<br />
x)<br />
22,41 m h<br />
(<br />
3<br />
x = 0,688<br />
865,8<br />
MJ<br />
kmol<br />
= x 1,839<br />
GJ<br />
h<br />
+ (1 − x)<br />
3,672<br />
GJ<br />
h<br />
Es müssen 31% des Erdgases verbrannt werden, um die restlichen 69 % zu<br />
reformieren.<br />
<strong>Aufgabe</strong> 2.5
a) Röhrenreaktor: nahezu isotherm<br />
b) Hordenreaktor; Zick-Zack-T-Profil<br />
c) Slurry: isotherm<br />
d) gekühltes Festbett: nahezu isotherm<br />
<strong>Aufgabe</strong> 2.6<br />
80-100 bar; 230-270 °C; Cu-basiert<br />
<strong>Aufgabe</strong> 2.7<br />
PIC<br />
TIRC<br />
FFC:<br />
PDI:<br />
QR:<br />
Regelung des Verhältnisses zweier Ströme<br />
Druck-Differenz-Anzeige<br />
Qualität-Registrierung
<strong>Aufgabe</strong> 3 - Schwefelerzeugung und Verbrennung<br />
<strong>Aufgabe</strong> 3.1<br />
Reaktionen:<br />
2 H 2 S + 3 O 2 2 SO 2 + 2 H 2 O<br />
4 H 2 S + 2 SO 2 3/4 S 8 + 4 H 2 O<br />
6 H 2 S + 3 O 2 3/4 S 8 + 6 H 2 O<br />
Brennkammer: T = 1400 °C, Katalysator: CoMo auf Al 2 O 3<br />
<strong>Aufgabe</strong> 3.2<br />
Herleitung <strong>der</strong> van’t Hoffschen Gleichung<br />
Mit: R T ln Kp = - ∆ r G° und ∆ r G° = ∆ r H° - T ∆ r S°<br />
folgt:<br />
ln Kp = - ∆ r H°/(R T) + ∆ r S°/R<br />
dlnK<br />
dT<br />
p<br />
=<br />
1<br />
R<br />
d<br />
dT<br />
⎛ ∆rH<br />
⎜<br />
−<br />
⎝ T<br />
o<br />
∆rS<br />
+<br />
1<br />
o<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
dlnK<br />
dT<br />
p<br />
=<br />
1 ∆rH<br />
2<br />
R T<br />
o<br />
ln Kp<br />
dlnK<br />
d<br />
p<br />
( 1 )<br />
T<br />
∆rH<br />
= −<br />
R<br />
o<br />
van' t Hoff<br />
1/T
Primäre Aussage :<br />
Prozessführung: Reaktion bei tiefer Temperatur begünstigt (GG nach rechts).<br />
ABER: Bei tiefen Temperaturen wird Reaktion langsam Kat und großer Reaktor<br />
Real: 2 Stufige Prozessführung<br />
1) Hohe Temperatur ohne Kat, kleiner Reaktor, S aus H 2 S Zersetzung Quenchen<br />
2) Rest umsetzen bei tiefer Temperatur mit Kat.<br />
<strong>Aufgabe</strong> 3.3<br />
S + λ O 2 + 4 λ N 2 SO 2 + (λ - 1) O 2 + 4 λ N 2<br />
y SO2 = 1/(1 + λ -1 + 4λ) = 0,105 1/0,105 = 5 λ λ = 1,90<br />
y O2 = (λ -1)/(1+ λ -1+4 λ ) = 0,095 , y N2 = 4 λ /(1+ λ -1+4 λ )= 0,8<br />
<strong>Aufgabe</strong> 3.4<br />
Luftüberschuß für die nachfolgende SO 2 Oxidation und die vollständige Verbrennung<br />
von S.<br />
<strong>Aufgabe</strong> 3.5<br />
Adiabatische Ofentemperatur:<br />
Reaktionswärme heizt die Produkte auf, keine Wärmeabgabe über Reaktor.<br />
Bilanz<br />
n<br />
∑ Φ<br />
iH Edukt i<br />
Q<br />
Φ = 0<br />
n<br />
Σnj H Produkt,j , ∑ Φ<br />
jH Pr odukt j<br />
, T ad<br />
∑<br />
n<br />
Φ<br />
i<br />
H<br />
Edukt i<br />
+<br />
∑<br />
n<br />
Φ<br />
j<br />
H<br />
Pr odukt j<br />
= 0<br />
Reaktionsenthalpie <strong>der</strong> S Verbrennung:<br />
∆ r H SO2 = ∆ Bild H SO2 (T=298K) = -296,8 kJ/mol<br />
Σni H Edukte,i = 0 da Elemente und bei T = T° = 298 K<br />
Σnj H Produkt,j = 0<br />
n SO2 (∆ Bild H SO2 + c P,SO2 (T ad -T°)) + n N2 c P,N2 (T ad -T°) + n O2 c P,O2 (T ad -T°) = 0
Bei vollständiger Verbrennung und oben genannter Luftzahl:<br />
n N2 = 4λ n SO2 ,<br />
n O2 = (λ -1) n SO2<br />
Tad = T° -<br />
c<br />
PSO2<br />
+ 4λc<br />
∆ H<br />
r<br />
PN2<br />
SO2<br />
+ ( λ −1)c<br />
PO2<br />
= 1330 K<br />
<strong>Aufgabe</strong> 4 - Investitionskostenrechnung<br />
<strong>Aufgabe</strong> 4.1<br />
K<br />
Φ<br />
G<br />
=<br />
=<br />
K<br />
K<br />
Φ<br />
Φ<br />
E<br />
E<br />
−<br />
−<br />
K<br />
K<br />
Φ<br />
Φ<br />
P,<br />
t<br />
kalk<br />
−<br />
K<br />
Φ<br />
var<br />
K K<br />
K<br />
K<br />
Φ<br />
Φ<br />
Φ<br />
E<br />
kalk<br />
var<br />
= Erlösstrom ≠ f ( d)<br />
= f ( K<br />
A<br />
) = f ( d)<br />
= f ( Energiekosten)<br />
=<br />
f ( d)<br />
Φ K,E ist unabhängig vom Rohrdurchmesser<br />
<strong>Aufgabe</strong> 4.2<br />
Investment: K A = a d m + b<br />
Material: ∝ π L d<br />
Fertigung: <br />
m ≤ 1<br />
K<br />
Φ<br />
kalk<br />
= ( A + B d<br />
= ( A + B d<br />
m<br />
t<br />
)<br />
t<br />
m<br />
) t<br />
Periode<br />
AfA<br />
Periode<br />
+ ( A + Bd<br />
⎛<br />
⎜<br />
1<br />
⎝ t<br />
AfA<br />
+ z<br />
kalk<br />
m<br />
) z<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
kalk<br />
t<br />
Periode
Energiekosten:<br />
L<br />
d<br />
e<br />
C<br />
z<br />
t<br />
t<br />
Bd<br />
A<br />
L<br />
d<br />
e<br />
C<br />
L<br />
d<br />
p<br />
d<br />
w<br />
L<br />
d<br />
w<br />
d<br />
L<br />
w<br />
d<br />
L<br />
w<br />
p<br />
C<br />
p<br />
e<br />
V<br />
kalk<br />
AfA<br />
Periode<br />
m<br />
E<br />
K<br />
G<br />
K<br />
V<br />
kalk<br />
K<br />
V<br />
V<br />
V<br />
kalk<br />
K<br />
4<br />
2<br />
4<br />
2<br />
4<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
128<br />
1<br />
)<br />
(<br />
128<br />
4<br />
32<br />
4<br />
32<br />
2<br />
Re<br />
64<br />
(Re)<br />
π<br />
µ<br />
π<br />
µ<br />
π<br />
µ<br />
π<br />
µ<br />
ρ<br />
ρ<br />
λ<br />
Φ<br />
−<br />
−<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
+<br />
+<br />
−<br />
Φ<br />
=<br />
Φ<br />
Φ<br />
+<br />
=<br />
Φ<br />
Φ<br />
=<br />
∆<br />
Φ<br />
=<br />
=<br />
⋅<br />
=<br />
=<br />
∆<br />
Φ +<br />
∆<br />
=<br />
Φ<br />
Bedingung für Optimum:<br />
5<br />
2<br />
4<br />
2<br />
2<br />
4<br />
5<br />
2<br />
1<br />
!<br />
512<br />
1<br />
für m<br />
512<br />
512<br />
1<br />
0<br />
128<br />
4<br />
1<br />
0<br />
Periode<br />
V<br />
m<br />
Periode<br />
V<br />
V<br />
kalk<br />
AfA<br />
Periode<br />
m<br />
V<br />
kalk<br />
AfA<br />
Periode<br />
m<br />
G<br />
K<br />
G<br />
K<br />
Bt<br />
L<br />
e<br />
d<br />
B mt<br />
L<br />
e<br />
d<br />
L<br />
e<br />
z<br />
t<br />
t<br />
B m d<br />
L<br />
d<br />
e<br />
C<br />
z<br />
t<br />
t<br />
B m d<br />
d<br />
d<br />
Φ<br />
=<br />
=<br />
Φ<br />
=<br />
Φ<br />
=<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
+<br />
=<br />
Φ<br />
⋅<br />
−<br />
−<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
+<br />
= −<br />
∂<br />
Φ<br />
∂<br />
=<br />
∂<br />
Φ<br />
∂<br />
+<br />
+<br />
−<br />
µ<br />
π<br />
µ<br />
π<br />
µ<br />
π<br />
π<br />
µ
<strong>Aufgabe</strong> 4.3<br />
K Φ<br />
K Φ E<br />
K Φ G,max<br />
K Φ kalk + K Φ var<br />
K Φ kalk<br />
K Φ var<br />
d<br />
<strong>Aufgabe</strong> 5 - Rauchgasreinigung<br />
<strong>Aufgabe</strong> 5.1<br />
r =<br />
Dioxin<br />
dn<br />
dt V<br />
D<br />
frei<br />
Bilanz für ideales Strömungsrohr, stationär:<br />
diff. Stoffmengenbilanz für Dioxin um ein diff. Volumenelement.<br />
∂cD<br />
allg.:<br />
∂t<br />
= −div<br />
Voraussetzungen : keine<br />
( cDw0<br />
) + div( Deff .* grad cD<br />
) + ∑( vDj<br />
* rj<br />
)<br />
Diffusion,<br />
∂ci<br />
stationär : = 0<br />
∂t<br />
keine Volumenän<strong>der</strong>ung durch Reaktion<br />
keine radiale Konvektion<br />
j<br />
u<br />
frei,x<br />
= 0;<br />
u<br />
frei,y<br />
= 0;<br />
u<br />
frei,z<br />
= u<br />
frei<br />
∂c<br />
d ⎛ u<br />
frei ⎞<br />
D<br />
→ = − c r mit r k c<br />
t dx<br />
⎜<br />
D<br />
ε<br />
⎟ + D<br />
= 0<br />
D<br />
= −<br />
D<br />
∂ ⎝ ⎠<br />
V<br />
frei<br />
L Afrei<br />
L<br />
gegeben : τ = = =<br />
V<br />
Φ<br />
frei<br />
u<br />
frei<br />
Afrei<br />
u<br />
frei<br />
∂cD<br />
u<br />
frei<br />
= −k<br />
cD<br />
∂x<br />
Caus<br />
L<br />
∂c<br />
k<br />
c<br />
D<br />
D,<br />
aus L<br />
∫ = − dx → = −k<br />
= −kτ<br />
c u<br />
∫ ln<br />
c u<br />
Cein<br />
D<br />
frei<br />
0<br />
D,<br />
ein<br />
frei
c<br />
c<br />
D,<br />
aus<br />
D,<br />
ein<br />
= exp<br />
{ − kτ}<br />
X = 1−<br />
exp( −k<br />
τ )<br />
Da = k τ<br />
<strong>Aufgabe</strong> 5.2<br />
X<br />
1<br />
kτ<br />
<strong>Aufgabe</strong> 5.3<br />
gefor<strong>der</strong>ter Umsatzgrad: X gef = (c 0 -c)/c 0 = 0,9667<br />
c 0 = 3ng/m³, c = 0,1ng/m³<br />
X = 1−<br />
exp( −k<br />
τ )<br />
k τ = ln(1 − X )<br />
1-X = exp(-k τ)<br />
k· τ 300 = 3,4 mit τ 300 = 0,8 s bei T = 300 °C<br />
k gef = 4,25 1/s<br />
Bei T = 220 °C: X = − exp( −k<br />
τ ) 0, 5<br />
− k<br />
k<br />
k<br />
k<br />
220<br />
ln 0,5<br />
= −<br />
τ<br />
= ln 0,5<br />
aus idealem Gasgesetz : τ<br />
220<br />
220<br />
220<br />
τ<br />
220<br />
220<br />
ln 0,5 1<br />
= − = 0,75<br />
0,93 s s<br />
⎧ E<br />
= k ⎨ −<br />
A<br />
0<br />
exp<br />
⎩ R 493K<br />
220<br />
1<br />
220<br />
=<br />
220<br />
⎫<br />
⎬<br />
⎭<br />
= τ<br />
300<br />
573,15<br />
493,15<br />
K<br />
K<br />
= 0,8 s<br />
573,15<br />
493,15<br />
K<br />
K<br />
= 0,93 s
k<br />
k<br />
300<br />
300<br />
⎧ E<br />
A<br />
exp⎨<br />
−<br />
⎧ E<br />
R K<br />
A<br />
⎫<br />
573<br />
k exp<br />
k<br />
⎭ ⎬⎫<br />
=<br />
⎩<br />
0 ⎨ − ⎬ =<br />
220<br />
⎩ R 573K<br />
⎭ ⎧ E<br />
A<br />
⎫<br />
exp⎨<br />
− ⎬<br />
⎩ R 493 K ⎭<br />
−1<br />
⎧ 47,59 kJ mol<br />
exp⎨<br />
−<br />
1 1<br />
1 8,314 J mol K 573 K<br />
0,75<br />
⎩<br />
⎭ ⎬⎫<br />
− −<br />
=<br />
−1<br />
s ⎧ 47,59 kJ mol ⎫<br />
exp⎨<br />
−<br />
−1<br />
−1<br />
⎬<br />
⎩ 8,314 J mol K 493 K ⎭<br />
1<br />
= 3,79<br />
s<br />
k<br />
1<br />
= 3,79 < k<br />
s<br />
300 gef<br />
=<br />
1<br />
4,25<br />
s<br />
Der Katalysator entspricht nicht den Anfor<strong>der</strong>ungen.<br />
<strong>Aufgabe</strong> 5.4<br />
gefor<strong>der</strong>ter Umsatzgrad: X gef = (c 0 -c)/c 0 = 0,9667<br />
GHSV<br />
τ =<br />
V<br />
V<br />
frei<br />
Φ<br />
=<br />
V<br />
Φ<br />
V<br />
1<br />
GHSV =<br />
|<br />
τ<br />
NTP<br />
frei<br />
1<br />
GHSV =<br />
τ<br />
NTP<br />
| 573,15 K<br />
τ<br />
NTP<br />
= τ<br />
300<br />
273,15 K<br />
300<br />
273,15 K<br />
573,15 K<br />
Bedingung :1−<br />
0,967 = exp<br />
|<br />
{ − k τ }<br />
300<br />
300<br />
τ<br />
|<br />
300<br />
ln 0,033<br />
= −<br />
k<br />
aus A 5.3:<br />
k<br />
300<br />
300<br />
1<br />
= 3,79<br />
s
| ln 0,033<br />
τ<br />
300<br />
= − = 0,90 s<br />
1<br />
3,79<br />
s<br />
1 273,15 K<br />
GHSV =<br />
|<br />
τ 573,15 K<br />
300<br />
1 273,15 K<br />
=<br />
0,9 s 573,15 K<br />
1<br />
= 0,529<br />
s<br />
1<br />
= 1906<br />
h<br />
<strong>Aufgabe</strong> 5.5<br />
X akt = 0,96 X akt =1-exp(-Da akt ) Da akt = - ln(1-X akt )=3,22 (Da = k⋅τ)<br />
X deak = 0,8 X deak =1-exp(-Da deak ) Da deak = - ln(1-X deak )= 1,61<br />
mit τ = 0,9 für aktiven und deaktivierten Kat<br />
k deak = D deak /τ= 1,79 1/s<br />
Berechnung <strong>der</strong> GHSV, mit <strong>der</strong> <strong>der</strong> Reaktor mit deaktiviertem Kat. B nur noch<br />
betrieben werden kann, um ursprünglichen Umsatz X 1 zu erreichen:<br />
Bedingung: Da akt = k deak * τ deak<br />
τ deak = D akt /k deak =1,8 s<br />
GHSV<br />
1<br />
= τ<br />
deak<br />
273,15 1<br />
= 953<br />
573,15 h<br />
<strong>Aufgabe</strong> 5.6<br />
k deak = 1,8 1/s<br />
gefor<strong>der</strong>te Da-Zahl: Da akt = k gef *0,9s = 3,22<br />
k gef = D akt /0,9 s = 3,58 1/s
C<br />
K<br />
mol<br />
kJ<br />
K<br />
mol<br />
J<br />
K<br />
k<br />
k<br />
E<br />
R<br />
K<br />
T<br />
k<br />
k<br />
E<br />
R<br />
K<br />
T<br />
k<br />
k<br />
K<br />
R<br />
E<br />
R T<br />
E<br />
K<br />
R<br />
E<br />
R T<br />
E<br />
k<br />
k<br />
deak<br />
gef<br />
A<br />
gef<br />
deak<br />
gef<br />
A<br />
gef<br />
deak<br />
gef<br />
A<br />
gef<br />
A<br />
A<br />
gef<br />
A<br />
deak<br />
gef<br />
°<br />
=<br />
=<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
−<br />
=<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
−<br />
=<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
−<br />
=<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
+<br />
= −<br />
−<br />
⎭<br />
⎬<br />
⎫<br />
⎩<br />
⎨<br />
⎧ −<br />
⎪ ⎭ ⎪ ⎬ ⎫<br />
⎪⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧ −<br />
=<br />
−<br />
−<br />
−<br />
−<br />
−<br />
333<br />
606<br />
1,8<br />
3,58<br />
ln<br />
60<br />
8,314<br />
573<br />
1<br />
ln<br />
573<br />
1<br />
ln<br />
573<br />
1<br />
1<br />
ln<br />
573<br />
573<br />
exp<br />
exp<br />
1<br />
1<br />
1<br />
1<br />
1<br />
<strong>Aufgabe</strong> 5.7 + 5.8<br />
X<br />
T<br />
Erhöhtes<br />
Katalysatorvolumen<br />
Gesenkte Verweilzeit