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 trockenem Brenngas bei einer gefor-

derten Bereitstellung elektrischer Leistung von 500 KW.

1.2 Berechnen Sie die Zusammensetzung des nassen Rohgases.

Berücksichtigen Sie bei der Berechnung nur die stoffliche Bilanzierung, d.h.

eine energetische oder kinetische Betrachtung ist nicht notwendig, und neh-

men Sie einen Holzumsatzgrad UHolz = 1 an.

Annahmen:

- Holz besteht ausschließlich aus Zellulose (C6H10O5)

- Die Vergasung erfolgt mit trockener Luft (79 % N2, 21 % O2) und mit der im

Holz enthaltenen Feuchte (Wassergehalt des feuchten Holzes:

wH2O = 0,4kgH2O/kgHolz,feucht)

- Gaskomponenten im Rohgas: H2, N2, H2O, CO, CO2, CH4

Über die Zusammensetzung des feuchten Rohgases ist Folgendes bekannt:

- yN2,feucht = 0,24

- yH2,feucht = 2 yCO,feucht =2 yCO2,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 Mitverbrennung zu verkau-

fen. Wieviele Jahre muss das Blockheizkraftwerks mindestens betrieben wer-

den, damit die Selbstversorgung mit Energie gegenüber dem Verkauf des

Abfallholzes rentabel wird. Wenden Sie für die Berechnung die Kapitalwert-

methode an.

Rechnen Sie dabei mit einem Holzmassenstrom von 580 kg/h.

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Daten:

ηEL,BHKW = 39 %; ηTHERM,BHKW = 51 %

HU,Rohgas = 7000 KJ/mN3

spezifischer Investitionsaufwand: iBHKW = 500 EUR/kW

Volllaststunden: 4000 h/a

Holzpreis: PHOLZ = 30 EUR/t

spezifische Einsparung bei Versorgung über BHKW: eBHKW = 0,05 EUR/KWh

Interner Zinssatz des Sägewerks: zint = 0,1/a

Vereinfachung: I b+( ) n–

n∑ I I b+( ) n–

–b

-----------------------------=

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Aufgabe 2: (2 + 3 + 3 + 4 + 4 + 2 + 2 = 20 Punkte)

Steamreforming / Methanolsynthese

Durch eine Ferngaspipeline zur Versorgung einer Industrieanlage strömen 200.000mN

3/h Erdgas der in der Datensammlung angegebenen Zusammensetzung. Die Pipe-line hat einen Innendurchmesser von d = 450 mm und eine Länge von l = 100 km. DerEinspeisedruck an der Verdichterstation beträgt p = 70 bar und die Temperatur T desErdgases beträgt dort 12 °C. Der Rauhigkeitswert des Stahlrohres beträgt k = 0,1 mm.

Fragen:

2.1 Berechnen Sie die mittlere Molmasse des Erdgases aus der angegebenenZusammensetzung.

2.2 Wie groß ist der Druckverlust zwischen Verdichterstation und Anlage in FolgeRohrreibung?

Welchen Schluss läßt sich aus dem Ergebnis ziehen und wie kann die Rech-nung verbessert werden?

Annahmen: Die Dichte und die Strömungsgeschwindigkeit des Erdgases kön-nen über der gesamten Länge der Pipeline als konstant angenommen wer-den. Das Erdgas kann als ideales Gas betrachtet werden.

Das durch die Erdgaspipeline transportierte Erdgas soll als Einsatzgas einer Metha-nolsyntheseanlage eingesetzt werden. Zur Umwandlung des Erdgases in Synthese-gas wird eine Anlage nach dem Steamreforming Verfahren verwendet.

2.3 Zeichnen Sie ein Grundfließbild der Steamreformeranlage ab der Übergabe-station des als odoriert angenommenen Erdgases. Nennen Sie typischeReaktionsbedingungen sowie verwendete Katalysatoren.

Die für die Reaktion notwendige Reaktionsenthalpie wird durch Verbrennung einesTeils des eingesetzten Erdgasstroms mit Luft bereitgestellt.

2.4 Wieviel Prozent des insgesamt zur Verfügung stehenden Erdgasstroms von200.000 m3/h (NTP) müssen hierzu bei einer Luftzahl = 1,1 verbrannt wer-den? Gehen Sie bei der Verbrennung von der angegebenen Erdgaszusam-mensetzung und einer Abgastemperatur von 825 °C und einer vollständigenVerbrennung des benötigten Anteils aus. Luft ist als ein Gemisch aus 21 % O2in N2 zu betrachten, Verlustwärmeströme sind zu vernachlässigen.

λ

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Das durch Steamreformierung erzeugte Synthesegas soll in einer nachgeschaltetenMethanolsynthese eingesetzt werden.

2.5 Zeichnen Sie ein Verfahrensfließbild der Methanolsyntheseanlage. WelcheReaktortypen werden heute hauptsächlich für die Methanolsynthese einge-setzt und was sind deren Charakteristika?

2.6 Nennen Sie typische Prozeßbedingungen (Druck, Temperatur, Katalysator)bei der Methanolsynthese.

2.7 Stellen Sie jeweils eine Möglichkeit zur Regelung des Drucks im Kopf und derTemperatur im Sumpf einer Destillationskolonne dar.Was bedeuten in der MSR-Technik die Bezeichnungen FFC, PDI und QR?

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Aufgabe 3 : (8 + 4 + 2 + 2 + 4 = 20 Punkte)

Schwefelerzeugung und -verbrennung

Aus dem Sauergas (reines H2S) einer Erdgasentschwefelungsanlage wird Schwefel-säure über den Umweg der Erzeugung von elementarem Schwefel erzeugt.

Fragen:

3.1 Zeichnen Sie das Verfahrensfließbild für die Erzeugung von elementaremSchwefel aus H2S und geben Sie die Hauptreaktionen in den jeweiligen Pro-zessstufen sowie die Temperaturen der Hauptprozessstufen und den Kataly-sator an.

3.2 Leiten Sie die van't Hoff'sche Reaktionsisobare her und stellen Sie den Ver-lauf des Gleichgewichtskoeffizienten Kp in Abhängigkeit von der Temperaturfür den dargestellten Prozess dar.

Was lässt sich daraus primär für die Prozessführung folgern?

Wie wird der Prozess in der Realität geführt? Beachten Sie dabei dieH2S-Zersetzung bei hohen Temperaturen.

3.3 Wie groß ist die Luftüberschusszahl λ bei der Schwefelverbrennung, wenndas Produktgas 10,5 Vol.-% SO2 enthält? Wie setzt sich das Produktgas derS-Verbrennung zusammen? (Rechnen Sie mit gerundeter Luftzusammenset-zung und idealem Gasverhalten)

3.4 Warum wird mit Luftüberschuss gefahren?

3.5 Berechnen sie die adiabatische Ofentemperatur der Schwefelverbrennungbeider in Teilaufgabe 3.3 berechneten Luftzahl λ unter der Voraussetzung, dassSchwefel und Luft mit 25 °C zugeführt werden und die bei der Verbrennungfrei werdende Wärme nur zur Aufheizung des Produktgases verwendet wird(keine Energieauskopplung).

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Aufgabe 4 : (3 + 9 + 3 = 15 Punkte)

Investitions- und Kostenrechnung

Sie arbeiten als Projektingenieur in einer Anlagenbaufirma und sind für die Planungvon Rohrleitungssystemen zuständig. Der Kunde, ein großes deutsches Chemieun-ternehmen, möchte, dass Sie die Rohrleitungen wirtschaftlich optimal auslegen.Hierzu soll beispielsweise für eine gerade Einzelleitung der optimale Durchmesserbestimmt werden.

Es können folgende Annahmen getroffen werden:

• Das zu fördernde Medium ist eine inkompressible Flüssigkeit

• Die Strömung ist laminar, stationär und voll ausgebildet

Fragen:

4.1 Definieren Sie den Gewinnstrom KΦG. Welche Größe ist unabhängig vomRohrdurchmesser?

4.2 Ermitteln Sie den optimalen Rohrdurchmesser dopt.

4.3 Tragen Sie alle relevanten Größen über dem Rohrdurchmesser d auf.

Daten:

Widerstandsbeiwert λ(Re)=64/Re

Aufgabe 5 : (6 + 1 + 4 + 2 + 4 + 2 + 1 + 2 = 22 Punkte)

Rauchgasreinigung

Bei der Verbrennung von Abfällen befinden sich in den Rauchgasen neben NOX auchoft die toxischen Dioxine. Im sogenannten SCR-Verfahren werden die vorhandenenStickoxide mittels NH3 katalytisch an Wabenkatalysatoren zu N2 reduziert. Mit dengleichen Katalysatoren werden auch Dioxine durch katalytische Oxidation zerstört.

Im folgenden soll das Dioxin mit dem höchsten kanzerogenen Potential betrachtetwerden:

SCR-Reaktionsgleichungen: 4 NO + 4 NH3 + O2 --> 4 N2 + 6 H2O

C12H4Cl4O2 + 11 O2 --> 12 CO2 + 4 HCl

Fragen:

5.1 Das kinetische Verhalten des Katalysators soll durch einen stationär betriebe-nen, isothermen Strömungsreaktor mit Pfropfströmung ohne axiale Rückver-mischung und ohne radiale Gradienten beschrieben werden (PFR). Für dieKinetik der Dioxinoxidation wird ein Ansatz 1. Ordnung bezüglich Dioxin ange-nommen.

Erstellen Sie eine Dioxin-Stoffbilanz für diesen Reaktor und berechnen Sieden Umsatz X als Funktion der Verweilzeit. Definieren Sie zuvor rDioxin sinn-voll mit Bezug auf die gestellte Frage.

5.2 Skizzieren Sie den Umsatz X in Abhängigkeit der einheitslosen Verweilzeit.

5.3 Sie sind Angestellter einer Firma, die Katalysatoren zur Rauchgasreinigungentwickelt. Ein Katalysator A, der auf seine Tauglichkeit zur Dioxinzerstörunguntersucht wurde, soll in einer Versuchsanlage eingesetzt werden. An einerLaboranlage wurden bereits die kinetischen Parameter bestimmt. Durcheinen Computerfehler sind aber nicht mehr alle Daten verfügbar.

Berechnen Sie, mit Hilfe des Ergebnisses aus 5.1, ob der Katalysator A bei300 °C die maximale, gesetzlich zugelassene Schadgasemission an Dioxinenvon 0,1 ng/m3

NTP und unten genannter Verweilzeit erreichen kann, wenn dieEintrittskonzentration 3 ng/m3

NTP beträgt.

2,3,7,8 - Tetrachlordibenzodioxin

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5.4 Bestimmen Sie für den Katalysator A die GHSV (Gas Hourly Space Velocity),für die der gesetzliche Grenzwert bei TBetrieb = 300 °C genau erreicht wird.

(1/h)

5.5 Ihre Firma führt unter anderem auch Langzeittests mit Wabenkatalysatorendurch, welche durch im Rauchgas vorhandenes SO2 und feine Staubpartikeldeaktiviert werden. Der Umsatz des Katalysators B wird bei diesen Tests vonX1 = 96 % auf X2 = 80 % reduziert. Die Aktivierungsenergie wird durch dieDeaktivierung nicht beeinflußt und bleibt konstant. Die Betriebstemperaturbeträgt 300 °C und die Verweilzeit τ1 = 0,9 s.

Mit welcher GHSV kann der Reaktor mit deaktiviertem Katalysator B nur nochbetrieben werden, damit der ursprüngliche Umsatz X1 wieder erreicht wird ?Verwenden Sie wieder das Ergebnis aus 5.1.

5.6 Welche Temperatur müßte gewählt werden, damit der deaktivierte Katalysa-tor B bei der Verweilzeit τ1 = 0,9 s den ursprünglichen Umsatz X1 wiedererreicht? Verwenden Sie auch hier wieder das Ergebnis aus 5.1.

5.7 Skizzieren Sie qualitativ ein Umsatz-Temperatur-Diagramm (X,T-Diagramm).

5.8 Zeichnen Sie in das gleiche Diagramm die Umsatzverläufe, die sich ergeben,wenn

· die Verweilzeit gesenkt und

· das Katalysatorvolumen erhöht wird

Beschriften Sie diese Kurven entsprechend!

Daten:

Daten für Katalysator A:

Aktivierungsenergie: EA= 47,59 kJ/mol

Bei T = 220 °C Umsatz: X220 °C = 50 %

Betriebsbedingungen der Versuchsanlage:

Betriebstemperatur: TBetrieb = 300 °C

Verweilzeit: τ = 0,8 s

Eintrittskonzentration: cein, NTP = 3 ng/m3

gesetzlich vorgeschriebene Austrittskonzentration: caus, NTP = 0,1 ng/m3

GHSV V·

VLeerraum---------------------------⎝ ⎠⎜ ⎟⎛ ⎞

NTP=

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Daten für Katalysator B:

Umsatz des aktiven Katalysators: X1 = 96 %

Umsatz des deaktiven Katalysators: X2 = 80 %

Verweilzeit: τ1 = 0,9 s

Betriebstemperatur: TBetrieb = 300 °C

Aktivierungsenergie: EA = 60 kJ/mol = konst.

Rechnen Sie mit dem idealen Gasgesetz

Verwenden Sie den Arrhenius-Ansatz

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Allgemeine Daten :

Gerundeten Molmassen in g/mol:

Stoffdaten (alle Werte bei 298 K):

Zusammensetzung von Erdgas in Vol.-%:

Dynamische Viskosität ηErdgas = 10,7 . 10-6 Pa.s

Antoine-Gleichung zur Berechnung des Dampfdrucks:

Der Druck p ist in mbar, die Temperatur in °C einzusetzen.

C H O S N

12 1 16 32 14

∆BH° in kJ/mol ∆BG° in kJ/mol S° in J/mol*K Cp,m in J/mol*K

CO -110,53 -137,17 197,67 29,14

CO2 -393,51 -394,36 213,74 37,11

CH4 -74,81 -50,72 186,26 35,31

C2H6 -84,70 -32,90 52,63

C3H8 -104,00 -24,39 73,50

H2 0 0 130,68 28,82

H2O (g) -241,82 -228,57 188,83 33,58

H2O (l) -285,83 -237,13 69,91 75,29

H2S -20,63 -33,56 205,79 34,23

N2 0 0 191,61 29,13

O2 0 0 205,14 29,36

SO2 -296,83 -300,19 248,22 39,87

SO3 -395,72 -371,06 256,76 50,67

CH4 C2H6 C3H8 CO2 N2

84,2 8,6 3,3 1,8 2,1

plog A BT C+--------------–=

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Antoine-Parameter:

Investitionskalkulation:

Degressionsexponent: m = 0,7

Sonstige Daten:

Wärmeleitkoeffizient für Glaswolle λ: 0,035 W/(m K)Wärmeleitkoeffizient für Steinzeug λ: 0,47 W/(m K)Wärmeleitkoeffizient für Stahlbeton λ: 1,5 W/(m K)

Erlös für H2: 0,10 EUR/mN3

Preis für Dampf: 10 EUR/t

Preis für Erdgas: 0,32 EUR/mN3

Lohn- und Nebenkosten für eine Führungskraft: 50.000 EUR/a*PersonLohn- und Nebenkosten für einen Schichtarbeiter: 40.000 EUR/a*Person

Stoff Temperaturbereich in °C A B in °C C in °C

Methanol 15 - 84 8,20591 1582,271 239,726

Wasser 1 - 100 8,19625 1730,630 233,426

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Nikuradse-Diagramm

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