Beispiel für Erstellung einer Energiebilanz einer adiabatischen, isobar-stationären Anlage

In diesem Beispiel stellen wir uns einen Reaktor vor der kontinuierlich von Edukten auf Gasform durchströmt wird und stationär betrieben wird. Die Edukte reagieren nach einer Reaktionsgleichung zu einem Produkt das Ebenfalls auf Gasform ist und am anderen Ende des Reaktors ausströmt. Die Gase stellen wir uns als perfekte Gase, d.h. ideale Gase vor. Es entstehen keine Abfallströme und der Reaktor sei als perfekt wärmeisoliertes System zu betrachten (adiabat). Außerdem sei der Reaktionsprozess als isobar zu betrachten.

Dank der Information, dass die Anlage stationär betrieben wird, wissen wir das sich keine Masse im Reaktor anhäuft –> Akkumulation = 0. Aus dem Reaktor strömt also genau soviel Gasmasse, wie dem Reaktor hinzugeführt wird. Außerdem wissen wir  das der Reaktionsprozess isobar, also bei konstantem Druck, abläuft – und das sich die Gase ideal verhalten.

(Massenbezogene Gleichung für ideale Gase)

pV = m*R*T

Hierbei ist m, p und R konstant. Außerdem kann dem System keine Wärme zugeführt werden. Somit ergibt sich aus der Massenerhaltung (dank dem stationären Betrieb der Anlage) die Energieerhaltung – genauer die Enthalpieerhaltung, da wir es mit einem offenen System zu tun haben und das Volumen variabel ist. Die Enthalpieerhaltung unseres Reaktors sagt uns, dass eintretende Enthalpie gleich austretender Enthalpie ist.

Daraus ergibt sich eine Energiebilanz, die für viele verschiede Aufgabenstellungen den entscheidende Ausgangspunkt darstellt:

∆H’ = 0 = H2′ – H1′ [J/s]

Ist uns zum Beispiel die durchschnittliche, spezifische Wärmekapazität gegeben, und kennen wir Reaktionsgleichung, eintretende Stoffströme sowie Temperatur der Ein- und Ausströme sowie die Reaktionsenthalpie für ein gegebenes Edukt – dann können wir den Umsatz der Edukte dank der obigen Energiebilanz des Reaktors lösen. Oft geschieht dies, indem man die Edukte abkühlt, bis zu der Temperatur, für die die Reaktionsenthalpie gegeben ist. Bei dieser (künstlich gesenkten) Temperatur lässt man die Reaktion ablaufen. Schließlich wärmt man das entstandene Gasgemisch bis zur Temperatur des austretenden Gasstroms auf. Die daraus entstandene Enthalpieänderung muss gleich 0 sein.