Aufgabe Modul D - 1 · Abitur Hessen Chemietechnik LK 2022

Harnstoff

Dieses Modul umfasst 50% der schriftlichen Abiturprüfung.

Aufgaben

Harnstoff, auch als Urea bekannt, ist chemisch gesehen das Kohlensäurediamid. Als Stoffwechselprodukt wird es vom Menschen über den Urin ausgeschieden. In der chemischen Industrie spielt Harnstoff als Dünger sowie als Ausgangsstoff für viele andere Substanzen eine bedeutende Rolle.

1 Industriell wird Harnstoff aus Ammoniak hergestellt. Die Synthese erfolgt in einem Hochdruckreaktor bei einem Druck von $40\,\mathrm{bar}$ und einer Temperatur von $\vartheta = 150\,^\circ\mathrm{C}$.

$2\,\mathrm{NH_3} + \mathrm{CO_2} \rightarrow \mathrm{CO(NH_2)_2} + \mathrm{H_2O}$

1.1

Für die Reaktion steht ein Gemisch bestehend aus den Gasen $\mathrm{NH_3}$ und $\mathrm{CO_2}$ von einem Volumen $V_1 = 8\,750\,\mathrm{m^3}$ bei $\vartheta_1 = 20{,}00\,^\circ\mathrm{C}$ und $p_1 = 1{,}250\,\mathrm{bar}$ zur Verfügung.

Berechnen Sie das Gasvolumen $V_2$, wenn das Gasgemisch in der Anlage auf die Temperatur $\vartheta_2 = 150{,}0\,^\circ\mathrm{C}$ erwärmt und auf den Druck $p_2 = 40{,}00\,\mathrm{bar}$ komprimiert wird.

[3 BE]

1.2 Aus einer wässrigen Lösung erhält man im weiteren Verlauf des Herstellungsprozesses feinkörnigen festen Harnstoff. Dieses zunächst noch feuchte Produkt wird einem Trockner zugeführt, in dem das Wasser entfernt wird. Dazu wird das Feuchtgut zuerst erwärmt und dann wird das Wasser verdampft.

1.2.1

Aus $1\,000\,\mathrm{kg}$ feuchtem Harnstoff werden $230{,}0\,\mathrm{kg}$ Wasser entfernt.

Berechnen Sie die Wärmemenge $Q$ in $\mathrm{MJ}$, die notwendig ist, um das Feuchtgut um $\Delta T = 45{,}00\,\mathrm{K}$ zu erwärmen und anschließend das Wasser zu verdampfen.

Hinweis: Die Wärmekapazität des feuchten Harnstoffs beträgt $c = 2{,}170\,\mathrm{kJ/(kg\cdot K)}$.

Die Verdampfungswärme von Wasser liegt bei $r = 2\,254\,\mathrm{kJ/kg}$. Die Verdampfungswärme gibt an, welche Wärmemenge erforderlich ist, um ein Kilogramm eines Stoffes zu verdampfen.

[3 BE]

1.2.2

Von dem getrockneten Harnstoff aus der Anlage wird im Labor die Restfeuchte bestimmt. Bei einer Einwaage von $m_\mathrm{ein} = 48{,}6\,\mathrm{g}$ ergibt sich nach der vollständigen Trocknung im Trockenschrank eine Auswaage von $m_\mathrm{aus} = 47{,}0\,\mathrm{g}$.

Berechnen Sie die Restfeuchte $w(\mathrm{H_2O})$ in Prozent.

[2 BE]

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