Thema 4 der Prüfungsvorbereitung für Chemieingenieure: Verfahrenstechnik der chemischen Reaktionen
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Dieser Beitrag wurde zuletzt von zhanghp30 am 29.9.2019 um 14:19 bearbeitet. 1. Fachwissen: (1) Reaktionsumsetzungsrate xa, Selektivität Sa, Ausbeute Ya. Xa = Menge der umgesetzten Stoffmenge a / Anfangsmenge des Stoffes a; Sa = Menge des Reaktanten a, die zur Herstellung des gewünschten Produkts P verbraucht wird / Menge an Reaktant a, die umgewandelt wird ; Ya = Menge des Reaktanten a, die zur Herstellung des Zielprodukts P verbraucht wird / Anfangsmenge des Reaktanten a. Daher gilt Ya = Sa * Xa. Dabei ist zu beachten, dass die oben genannten Mengeneinheiten Mol sind! Für eine einfache Reaktion gilt: Sa=1, ya=Xa; bei komplexen Reaktionen gilt: Sa(8) Einige nützliche Schlussfolgerungen: Bei Reaktionen erster Ordnung nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Umsetzungsrate ab. Bei irreversiblen Reaktionen sowie reversiblen endothermen Reaktionen nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit mit steigender Temperatur zu. Bei reversiblen exothermen Reaktionen ist die Reaktionsgeschwindigkeit am höchsten bei der optimalen Temperatur. Bei reversiblen Reaktionen ist die Reaktionsgeschwindigkeit beim Erreichen des Gleichgewichts am geringsten.
1). Bei einer autokatalytischen Reaktion, wenn die Umsetzungsrate null ist und im System keine Produkte vorhanden sind, dann ist die Reaktionsgeschwindigkeit ( )
A. am größten
B. hat einen Extremwert
C. negativ
D. gleich 0
2). In einem Pufferreaktor findet eine Reaktion statt. Wenn a > 0, dann gilt für das Verhältnis zwischen der Raumzeit T und der durchschnittlichen Verweilzeit t ( )
A. gleich
B. kleiner als
C. größer als
D. nahezu gleich C
3). Katalysatoren können nicht ( )
A. die Reaktionsprodukte verändern
B. das Reaktionsgleichgewicht verändern
C. die Reaktionsgeschwindigkeit verändern
D. Nebenreaktionen hemmen
B
4). Bei der Reihe von Reaktionen A----B----D sind die Reaktionskonstanten jeweils K1 und K2. Wenn Ea2 > Ea1 ist, dann sollte man zur Förderung der Bildung von B im Prinzip ( )
A. die Temperatur erhöhen
B. die Temperatur senken
C. das Produkt rechtzeitig entfernen
D. die Reaktionszeit verkürzen
B
5). Wenn die Enthalpie einer bestimmten Reaktion -150 kJ/mol beträgt, dann ist die Aktivierungsenergie der Vorreaktion ( )
A. nicht bestimmbar
B. größer als 150
C. kleiner als 150
D. gleich 150
A
6). CH3CHO-Dampf zerfällt bei 791 K und einem Druck von 48,3 kPa in 410 Sekunden. Bei einem Druck von 22,5 kPa beträgt die Halbwertszeit 880 Sekunden. Dann ist die Ordnung der Reaktion ( )
A. 0
B. 1
C. 2
D. 3
C
7). Wenn die Aktivierungsenergie einer Reaktion 80 kJ/mol beträgt und die Temperatur von 100 °C auf 110 °C erhöht wird, dann ist die Reaktionsgeschwindigkeit etwa ( ) des ursprünglichen Wertes
A. 1-fach
B. 2-fach
C. 3-fach
D. 4-fach
B
8). Die Reaktion 2A-----P ist zweiter Ordnung. Der Unterschied zwischen der Zeit, in der 1/3 von A verbraucht wird, und der Zeit, in der 2/3 von A verbraucht wird, beträgt 9 Sekunden. Dann ist die Halbwertszeit der Reaktion ( )
A. 6 Sekunden
B. 8 Sekunden
C. 12 Sekunden
D. 16 Sekunden
A
9). Bei einer ersten-Ordnungs-Reaktion bei Temperatur T beträgt die Anfangsgeschwindigkeit r0 = 1·10^-5 mol·dm^-3·s^-1. Nach 1 Stunde beträgt die Geschwindigkeit r1 = 3,26·10^-6 mol·dm^-3·s^-1. Dann ist die Reaktionskonstante ( )
A. 3,11·10^-4 s
B. 2,11·10^-4 s
C. 4·10^-4 s
D. nicht bestimmbar
A
10). Bei 25 °C beträgt die Zerfallskonstante von NaOCl k = 0,0093 s^-1. Bei 30 °C beträgt die Zerfallskonstante k = 0,014 s^-1. Wie viele Sekunden sind dann erforderlich, um bei 40 °C 99 % des Stoffes zu zersetzen? A 60 B 139 C 270 D 360 B
2) Bei einer zweistufigen irreversiblen Reaktion in der Anfangskonzentration von 5 kmol/m³ benötigt die Reaktion 285 Sekunden, um zu einer bestimmten Konzentration zu gelangen. Bei einer Anfangskonzentration von 1 kmol/m³ benötigt sie 283 Sekunden. Wie viel Zeit ist dann erforderlich, um von einer Anfangskonzentration von 5 kmol/m³ auf 1 kmol/m³ zu gelangen? deta T=285–283=2 s – Es handelt sich um eine reversible Reaktion, bei der das Volumen vor und nach der Reaktion unverändert bleibt. Der bereits reagierte Anteil hat keinerlei Einfluss auf die Reaktion. Jeder Zeitpunkt im Reaktionsverlauf kann als Anfangs- und Endzeitpunkt verwendet werden. 3) Wie stark nimmt die Strahlung ab, wenn ein radioaktiver Flüssigkeit mit einer Halbwertszeit von 20 Stunden mit einer Durchflussrate von 0,1 m³/h durch zwei in Reihe geschaltete vollmischende Reaktoren mit einem Volumen von jeweils 40 m³ fließt? Die Strahlung folgt dem Gesetz einer ersten Ordnung. Daher gilt k = ln2/k = 0,693/20 = 0,03465 h^-1. Im vollgemischten Reaktor gilt T = CA0 – CAf / (-rA), erster Reaktor. 40/0,1 = (CA0 – CAf) / k·CA0·(1 – XA), wobei XA = 0,9327 ist. Im zweiten Reaktor beträgt die Umsetzungsrate weiterhin 0,9327. Die Gesamtumsetzungsrate ergibt sich daher aus dem Wert (CA0 – CA0·(1 – XA)·(1 – XB)) / CA0 = 1 – (1 – 0,9327)·(1 – 0,9327) = 0,9955. 4) Komplexe Reaktion in der Flüssigphase: A + B → P(1) ; A+P------S(2): Die anfänglichen Konzentrationen betragen CA0 = 2,0 mol/l, CB0 = 4,0 mol/l, CP0 = CS0 = 0. Die Reaktion findet in einem intermittierenden Reaktor statt. Es wurden die Werte CA = 0,3 mol/l sowie CB = 2,4 mol/l gemessen. Wie hoch sind dann die Konzentrationen von P und S? Basierend auf B: Wie hoch ist die Selektivität des Reaktanten B und welche Ausbeute an Produkten ergibt sich? 1 Verbrauchter A = (CB0 – CB) = 4 – 2,4 = 1,6 ; Reaktion 2 verbraucht A = (2 – 0,3) – 1,6 = 0,1. Daher ist Cs = 0,1. Die Konzentration des Produkts P entspricht der Menge an P, die entsteht, abzüglich der Menge an P, die verbraucht wird: Cp = 1,6 – 0,1 = 1,5. Basierend auf B beträgt die Selektivität der Reaktion B = Cp/(CB0 – CB) = 1,5/4 – 2,4 = 0,9375. Der Ertrag des Produkts P beträgt Cp/CB0 = 1,5/4 = 0,375. 5) Eine gasförmige Reaktion ersten Grades: A → 3P ; Die Reaktion findet in einem isothermen Rohrreaktor statt. Als Ausgangsstoff wird eine Mischung verwendet, die zu 50 % aus dem Reaktionsstoff und zu 50 % aus inerten Stoffen besteht. Die Verweildauer beträgt 10 Minuten. Dabei erhöht sich das Volumenstrom an der Ausgangsseite des Systems auf 1,5-fachen Wert des ursprünglichen Werts. Es soll nun die Umsetzungsrate von A sowie die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante bestimmt werden. Ausdehnungsfaktor SA = 3 – 1/1 = 2, Ausdehnungsrate EA = SA * yA0 = 2 * 0,5 = 1. V = V0 * (1 + EA * XA); V/V0 = 1,5, XA = 0,5. T = CA0 * f * dXA / (-rA) = f * dXA / (k * (1 – XA) / (1 + XA)). Bei T = 10 und XA = 0,5 ergibt sich k = 0,08863 L/min
9)* Im vollgemischten Reaktor findet eine reversible Reaktion statt: A + B → R + S. Dabei gelten k1 = 7 m³/kmol·Min und k-1 = 3 m³/kmol·Min. Die Volumenströme von A und B betragen jeweils 0,004 m³/Min. Die Konzentrationen von A und B im Zulauf betragen 2,8 kmol/m³ bzw. 1,6 kmol/m³. VR beträgt 0,12 m³. Wie hoch ist der Umsetzungsgrad von B? r = 0,008 m³/min, CA0 = 2,8/2 = 1,4, CB0 = 1,6/2 = 0,8. Sei die Umsetzungsrate von B gleich CB = CB0(1-XB) = 0,8(1-XB). Dann gilt CA = CA0 – CB0·XB = 1,4 – 0,8·XB und CS = 0,8·XB = CR – r·B = K1·CA·CB – K – 1·CR·CS = 2,56·XB² – 12,32·XB + 7,84. T = VR/r = 0,12/0,008 = 15 Minuten. Außerdem gilt T = CB0·XB / (-r·B), wodurch XB = 0,75 ergibt.
10) In der seriellen Reaktion A------P-------S gelten K1 = 0,15 MIN⁻¹ und K2 = 0,05 MIN⁻¹. Die Zulaufmenge beträgt 0,5 m³/min. CA0 ist nicht null, während CP0 und CS0 gleich null sind. Es soll die Ausbeute an P in einem CSTR mit einem Volumen von 1 m³ ermittelt werden. T=1/0,5=2 MIN, YP=CP/CA0=K1T/(1+K1T)(1+K2T)=0,21