Chemische Verfahrenstechnik, TFH Bochum
Übungen von Hr. Kreipl SS 2016
Übungen von Hr. Kreipl SS 2016
Kartei Details
| Karten | 35 |
|---|---|
| Sprache | Deutsch |
| Kategorie | Chemie |
| Stufe | Universität |
| Erstellt / Aktualisiert | 06.04.2016 / 21.11.2016 |
| Weblink |
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2.2 Wann spricht man in der VT von Schlüsselreaktionen und was bedeutet das aus stöchiometrischer Sicht?
In der Verfahrenstechnik spricht man dann von einer Schlüsselreaktion bzw. Schlüsselreaktionen, wenn ein vollständig voneinander unabhängiger Satz von Reaktionsgleichungen vorliegt.
Dies ist die minimale Anzahl an Gleichungen, die man aus stöchiometrischer Sicht benötigt, um das System zu beschreiben.
2.3 Welche allgemeinen Schritte werden beim Aufstellen einer stöchiometrischen Matrix gemacht?
1. Edukte (Ausgangsstoffe) stehen auf der linken Seite der Reaktionsgleichung und Produkte auf der rechten Seite.
2. Die einzelnen Spezies werden als Aj (A1, A2, A3, A4, usw.) bezeichnet.
3. Die stöchiometrischen Faktoren werden beibehalten und entsprechend den Symbolen Aj vorangestellt.
4. Der Reaktionspfeil wird durch ein Gleichheitszeichen ersetzt.
5. Alle Variablen stehen rechts vom Gleichheitszeichen, was bedeutet, dass alle Edukte ein negatives und alle Produkte ein positives Vorzeichen erhalten.
2.4 Wie lautet die Matrix der Entstehung von Stickstoffdioxid bei der Smogbildung?
Gleichungen einfügen
2.5 Stellen Sie für die untenstehenden Reaktionsgleichungen eine Speziesliste beginnend mit Sauerstoff auf und eine stöchiometrische Matrix.
Speziesliste
2.6 Stellen Sie für die untenstehenden Reaktionsgleichungen eine Speziesliste beginnend mit Wasserstoff auf und eine stöchiometrische Matrix.
Speziesliste
2.7 Wie viele der Reaktionen sind linear unabhängig? Kann eine der Gleichungen durch die anderen ausgedrückt werden?
Wasserstoff Iod
2.8 Bei der Verbrennung von Methan werden die unten stehenden Reaktionen beobachtet.
1. Stellen Sie eine Speziesliste auf und eine stöchiometrische Matrix.
2. Sind alle Reaktionen linear unabhängig? Wenn nicht wie viele sind linear abhängig?
3. Listen Sie alle Sets unabhängiger Reaktionen.
4. Welche der Reaktionen kommt in allen der Sets unabhängiger Reaktionen vor und weshalb?
1.
2.9 Gegeben ist der untenstehende Satz von Reaktionsgleichungen. Bestimmen Sie die Produktionsraten jeder Komponente aus der Reaktionsrate.
Reaktionsrate
3.1 Mit welcher Formel beschreibt man die Gibbsenergie und wie verändert sich die Molzahl jeder Komponente während der Reaktion?
\(dG = {-SdT + VdP + \displaystyle\sum_{j} \mu_jdn_j }\)
\(dn_j = v_jd\xi\)
3.2 Tragen sie den Verlauf von G gegen die Reaktionslaufzahl auf. Wie ist der Kurvenverlauf und wie lautet die Bedingung für das Gleichgewicht?
Bild einfügen
3.3 Wie ist die Aktivität definiert und wie ist der Zusammenhang zur Konzentration bei idealen und bei realem Verhalten?
Die Aktivität a ist eine thermodynamische Größe, die in der physikalischen Chemie anstelle der Stoffkonzentration verwendet wird. Mit ihr gelten für reale Mischungen die gleichen Gesetzmäßigkeiten (bezüglich physikalischer Messparameter wie Gefrier-, Siedetemperatur, Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen, elektrische Spannung, Dampfdrucken von Lösungsmitteln), wie mit der Konzentration für ideale Mischungen: \(a_i = {\gamma_i * x_i}\)
Der dimensionslose Aktivitätskoeffizient ist das Verhältnis der Aktivität zur
Konzentration. Er liegt für ideales Verhalten, das bei unendlicher Verdünnung
beobachtet wird bei 1 und weicht mit zunehmender Konzentration ab.
3.4 Welcher Größe entspricht die Änderung der Gibbsenergie mit der Temperatur?
\(({\partial G \over \partial T})_{P, n_j} = -S\)
\(({\partial {G^\circ_j} \over \partial T})_{P, n_j} = -{S^\circ_j}\)
3.5 Wie beschreibt man a) die Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichtskonstanten mit der Gibbsenergie und b) die Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichtskonstanten?
a) \(K = {e^{-\Delta G^°\over RT}}\)
b) \({\partial lnK \over \partial T} = {\Delta H^° \over RT}\)
3.6 Wie löst man die Van‘t Hoff Gleichung und was benötigt man dazu?
Durch Integration:
\(\int_{T_1}^{T_2} \mathrm{{\partial lnK}\over \partial T}\,\mathrm{d}T = \int_{T_1}^{T_2} \mathrm{{\Delta H^°}\over R T^2}\,\mathrm{d}T \)
Zur Lösung benötigtman die Standardenthalpieänderung als Funktion der Temperatur,
was der molaren Wärmekapazität entspricht!
\(\Delta C^°_P = {{\partial\Delta H^°}\over \partial T} mit \Delta C^°_P = \sum _j v_jC^°_{Pj}\)
3.7 Ein Erfinder will Ihnen eine neue Anlage zur Speicherung von Energie mit Wasser als umweltfreundlichem Medium verkaufen. Investieren sie in die neue Anlage, wenn folgende Enthalpiewerte für die Berechnung verwendet wurden: h2 = 7500 J/mol, h1 = 6000 J/mol, T1 = 481 K, T2 = 483 K?
\(c_p = {h_2 - h_1 \over T_2 - T_1} = 750 J/molK = 41,7 J/gK\)
1.1 Nennen oder skizzieren sie kurz den Ablauf eines chemischen Verfahrens und nennen sie jeweils mindestens zwei zugehörige Grundoperationen
Qualitätskontrolle der Roh- und Hilfsstoffe
1.2 Was bezeichnet man umgangssprachlich als stöchiometrische bzw. kinetische Reaktionsführung?
TD Kontrolle: Optimierung der Raum-Zeit-Ausbeute durch Optimierung der Reaktion im thermodynamischen Sinne: Verschiebung des Gleichgewichts in Richtung der Produkte.
KK: Zurückdrängen von Nebenreaktionen oder Verschiebung in Richtung Produkte durch kinetische Maßnahmen wie Ausnützen von Reaktionsgeschwindigkeiten und Verwendung von Katalysatoren etc.
1.3 Nennen sie mindestens 6 zu behandelnde Problemkreise aus der CVT.
Stoff- und Energiebilanzen; Kinetik; Reaktionen und Stofftransport; Reaktionstyp und Reaktordimensionierung; Betriebsparameter für die Prozessführung; bessere Nutzung der Rohstoffe und Energien; Reduktion der Abfallstoffe; Prozesssicherheit; etc. Verein
1.4 Wie kann man chemische Reaktionen bzw. Reaktoren klassifizieren. Nennen sie jeweils mindestens zwei Beispiele.
Klassifizierung nach thermischen Gesichtspunkten:
• Isotherm; adiabatisch; polytrop
Klassifizierung nach Verweilzeitverhalten:
• Diskontinuierlicher Rührkessel
• Kontinuierlich betriebener Rührkessel
• Rührkesselkaskade
• Strömungsrohrreaktor
1.5 Erklären Sie die Begriffe isotherm, adiabatisch und polytrop im Zusammenhang mit
chemischen Reaktionen.
• Isotherm : T = const. durch Wärmeab- oder zufuhr
• Adiabatisch: kein Austausch von Wärme mit der Umgebung
• Polytrop: pV = const. (es wird zwar beispielsweise Wärme zu- oder abgeführt, die Temperatur im Reaktor ist aber unterschiedlich)
1.6 Nennen sie die einfachsten vier reaktortypen und zeichnen Sie jeweils die Konzentrationsverteilung hinsichtlich der Zeit und des Ortes.
Bild folgt
1.7 Beschreiben Sie das chemische Gleichgewicht.
Im Gleichgewichtszustand ist die Geschwindigkeit der Hinreaktion und die der Rückreaktion gleich groß. Der Gleichgewichtszustand ist aber kein Ruhezustand!!!
1.8 Formulieren Sie das MWG für eine allgemeine Reaktion vom Typ aA + bB ↔ cC + dD bzw. A + B ↔ 2C.
Kc = [ c(C)c * c(D)d ] / [ c(A)a * c(B)b ]
Kc = c(C)2 / [ c(A) * c(B) ]
1.9 Was für Fälle ergeben sich allgemein für die Lage von Gleichgewichten?
• Ist k>>1 so sind praktisch keine Edukte mehr vorhanden!!
• Ist k~1 dann liegen Edukte und Produkte etwa in gleicher Konzentration vor.
• Ist k<<1 dann läuft die Reaktion praktisch nicht ab.
1.10 Wie kann die Lage des Gleichgewichtes beeinflusst werden?
Änderung der Konzentration bzw. der Partialdrücke; Temperaturänderung; Druckänderung (nur bei Reaktionen bei denen sich die Gesamtstoffmenge an Gasen ändert)
1.11 Wie lautet das Prinzip von Le Chatelier?
Übt man auf ein System im Gleichgewicht durch Konzentrations-, Temperatur – oder Druckänderung einen Zwang aus, so verschiebt sich die Gleichgewichtslage um den Zwang zu vermindern.
1.12 Wie wird der Zusammenhang zwischen der Lage des Gleichgewichts einer chemischen Reaktion und der Temperatur (bei konstantem Druck) mathematisch beschrieben und wie lautet die Gleichung? Weshalb kann man aus dem Cp-Wert auf die Gleichgewichtslage schließen – geben Sie die Formel an.
Durch die Van-’t-Hoff-Gleichung (Van ’t Hoff'sche Reaktionsisobare).
Bild hinzufügen!
1.13 Was ist die freie Standardbildungsenthalpie und wie wird sie noch bezeichnet? Geben Sie die Formel an!
Die freie Standardbildungsenthalpie (ΔG°) wird definiert als die Enthalpie, die frei wird, bei der Bildung von einem Mol einer Substanz aus den Elementen! (Entspricht der Standardbildungsenthalpie unter Berücksichtigung der Entropie)
Gibbsenergie.
ΔG°= ΔH°-TΔS°
1.14 Was gilt bei niedrigen bzw. hohen Temperaturen für die Entropie bzw. die Enthalpie. Was bedeutet dies für den Ablauf von Reaktionen?
• Bei sehr niedrigen Temperaturen ist TΔS<<ΔH → ΔG ≈ ΔH
– nur exotherme Reaktionen laufen freiwillig ab.
• Bei sehr Hohen Temperaturen ist TΔS >> ΔH → ΔG ≈ TΔS
– Bei sehr hohen Temperaturen können nur Prozesse ablaufen, bei denen die Entropie der Produkte größer als die der Ausgangsstoffe ist!!
– Beispiel: Kippt man ein Glas regelmäßig geordneter Murmeln aus, so steigt die Unordnung. Die Murmeln ordnen sich nicht von selbst wieder an!
1.15 Weshalb ist das Vmax bzw. das Vmin einer Reaktion eine entscheidende Größe bei der
Auslegung des Reaktors?
Jeder Reaktor hat einen maximalen füllstand bzw. minimales Rührvolumen bzw. Füllvolumen.
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