Ü3_RT ZündLöschVerhalten WS11-12

LEHRSTUHL FÜR
CHEMISCHE VERFAHRENSTECHNIK
Prof. Dr.-Ing. Andreas Jess
Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften
Übungsaufgaben zur Vorlesung Reaktionstechnik WS 2011/2012
Übung 3: Chemisches Gleichgewicht und Zünd-/Löschverhalten
Übungstermin:
Mo. 28.11.2011, 8:15 Uhr, H30
Aufgabe 1: Chemisches Gleichgewicht
In der in Abb. 1-1 gezeigten Wirbelschichtapparatur reagiert Kohlenmonoxid an Eisenerz zu
Kohlendioxid und festem Kohlenstoff
∆ 172,6/
2 ↔ Der gebildete Kohlenstoff scheidet sich auf den Erzpartikeln, welche die Reaktion
katalysieren ab. (Hinweis: Ohne Katalysator läuft die Reaktion aus kinetischen Gründen
praktisch nicht ab.)
Abb. 1-1: Laborapparatur für die Umsetzung von CO zu CO2 und C in einer Wirbelschicht
Der Reaktor wird zunächst über die gesamte Länge der Wirbelschicht isoliert. Das
Einsatzgas wird in einer Vorheizstrecke auf Tein aufgeheizt. Das Diagramm 1.1 zeigt den
gemessenen Umsatzgrad bei verschiedenen Wirbelschichttemperaturen.
Fragen/Aufgaben:
1.1
Berechnen Sie mit Hilfe der Tab. 1-1 den Gleichgewichtsumsatz UCO,GGW für 400, 700
und 900 °C bei einem Gesamtdruck von pges = 1 bar. Zeichnen Sie mit diesen drei
Punkten die Funktion !,""# $%#& in das Diagramm 1.1 ein.
Hinweis: !
'()
*+,,-.
'(,/)
*+,,-.
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1.2
Wie ändert sich qualitativ der Verlauf des Gleichgewichtumsatzes höheren Gesamtdruck?
1.3
Begründen Sie den gemessenen Verlauf von ausgeprägten Maximum.
!
!,""#
bei einem
(Diagramm 1.1) mit dem
1.4
Die Reaktion ist exotherm; es ergibt sich die in Diagramm 1.2. dargestellte
dimensionslose Wärmeerzeugungskurve. Wie groß ist der maximale Wärmestrom
01234 , wenn der eintretende Kohlenmonoxidstrom 51 !,678 15/: beträgt?
1.5
Aufgrund der starken Wärmefreisetzung bei der Reaktion wird der eintretende
Kohlenmonoxidstrom mit 35 mol/h Stickstoff verdünnt. Der Gesamtmolenstrom des
eintretenden Gases beträgt somit 50 mol/h. Bestimmen Sie graphisch mit Hilfe des
Diagramms 1.2 die Temperatur der Wirbelschicht TWS,1, wenn der eintretende
Gasstrom auf Tein,1 = 400 °C vorgeheizt wird. Die Wärmekapazität des Gases beträgt
40 J/(mol · K). Näherungsweise soll angenommen werden: 51 6,3; 0,75 ∙ 51 6,678
Tab. 1-1: Stoffdaten von CO2, CO und C
∆> ?@ A BCDE/FGH
I@ BCE/FGH ∙ J
ABCK
400
600
900
400
600
900
LMN
-393
-394
-395
249
262
278
LM
-110
-111
-113
222
230
240
0
0
0
17
22
28
L
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Diagramm 1-1
Diagramm 1-2
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Aufgbe 2: Zünd-/Löschverhalten
Der gleiche in Aufgabe 1 verwendete und in Abb. 1-1 schematisch skizzierte Reaktor soll
nun verwendet werden, um in der Wirbelschicht Koks mit Hilfe eines sauerstoffhaltigen
Gasstroms zu verbrennen. Der Koks, der vereinfachend als reiner Kohlenstoff betrachtet
wird, setzt sich dabei nach der folgenden Gleichung mit Sauerstoff um:
& ↔ ∆ 393/
Die auf die Koksmasse bezogene Geschwindigkeit der Sauerstoffumsetzung folgt dem
folgenden reaktionskinetischen Ansatz
Q2,!R 2 %S!R
wobei sich die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten km nach
Arrhenius durch die nachfolgende Gleichung ausdrücken lässt:
2 % 10/
T
80000/
exp Z
]
\%
UV
Die Wirbelschicht wird bei einem Gasvolumenstrom von 0,35 m3/s (NTP) mit einem
Sauerstoffanteil von 3 % betrieben und enthält eine Koksmasse von 1 kg.
Fragen:
2.1
2.2
Aus Sicht der Gasphase verhält sich die Wirbelschicht wie ein ideal durchströmter
Rohrreaktor. Leiten Sie aus der Stoffbilanz um ein differentielles Volumenelement
einen Ausdruck ab, mit dem der Sauerstoffumsatz in der Wirbelschicht berechnet
werden kann.
1 %, ab des
Berechnen Sie die auf die Koksmasse bezogene Verweilzeit ^_ ′ /`6
einströmenden Gases in der Wirbelschicht bei einer Temperatur von 500 °C und einem
Druck von 1 bar.
2.3
Berechnen Sie den Verlauf der durch die exotherme Abbrandreaktion erzeugten
Wärmemenge im Temperaturbereich von 300 °C bis 800 °C und tragen Sie ihn in
Diagramm 2.1 ein (Wärmeerzeugungskurve). Näherungsweise kann angenommen
werden, dass die in Aufgabe 2.2 berechnete Verweilzeit im angegebenen
Temperaturbereich konstant ist.
2.4
Die durch die Koksverbrennung erzeugte Wärme erhitzt das einströmende Gas und
wird so abgeführt. Tragen Sie zusätzlich den Verlauf der Wärmeabfuhrgeraden für eine
Eintrittstemperatur das Gases von 350 °C in das Dia gramm 2.1 ein. Die
Wärmekapazität des Gas beträgt 30 J/(mol · K).
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2.5
Wie hoch ist die Temperatur in der Wirbelschicht am unteren Betriebspunkt?
2.6
Bestimmen Sie graphisch die Gaseintrittstemperatur in die Wirbelschicht, bei der eine
weitere Temperaturerhöhung eine Zündung im Reaktor zur Folge hätte. Wie hoch ist
die Temperatur der Wirbelschicht kurz vor und kurz nach der Zündung?
2.7
Nach der Zündung wird die Gastemperatur am Eintritt in die Wirbelschicht wieder
gesenkt und es kommt zu einem plötzlichen Abbruch der Verbrennungsreaktion
(Löschung). Bestimmen Sie graphisch die Gaseintrittstemperatur, bei der die Löschung
der Reaktion stattfindet. Wie hoch ist die Temperatur der Wirbelschicht kurz vor und
kurz nach der Löschung?
2.8
Durch welche Maßnahme wäre es möglich, einer Zündung in der Wirbelschicht
entgegenzuwirken?
Diagramm 2-1