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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

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