Chemische Reaktionstechnik: Übungsaufgaben und Prüfungsfragen

Reaktionsgeschwindigkeiten und Geschwindigkeitsgesetze, Auslegung von Rührkessel und Strömungsrohr, Umsatz und Gleichgewichtsgrenzen.

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Themen in diesem Kurs

  1. Reaktionskinetikerste Ordnung · Umsatz und zweite Ordnung · ArrheniusRechenaufgaben
  2. Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Rührkessel (CSTR), erste Ordnung · Strömungsrohr (PFR), erste Ordnung · Umsatz aus dem VolumenRechenaufgaben
  3. Chemisches GleichgewichtKc aus Konzentrationen · ICE-Tabelle · ICE-Tabelle mit quadratischer GleichungRechenaufgaben
  4. Massenbilanzzwei Ströme mischen · auf einen Zielwert mischen · VerdampferRechenaufgaben

Prüfungstipps für Chemische Reaktionstechnik

  • Stelle die Auslegungsgleichung für den Reaktortyp auf, bevor du das Geschwindigkeitsgesetz einsetzt.
  • Für denselben Umsatz braucht ein Strömungsrohr (PFR) bei Reaktionen positiver Ordnung weniger Volumen als ein Rührkessel (CSTR).
  • Prüfe, ob der angestrebte Umsatz unter dem Gleichgewichtsumsatz liegt.

Beispielaufgaben

ReaktionskinetikLeicht
t (min)C (mol/L)60 minC = ?

Eine Reaktion nullter Ordnung A → Produkte hat eine Geschwindigkeitskonstante von 0,01 mol/(L·min). Die Anfangskonzentration von A beträgt 0,8 mol/L. Bestimme die Konzentration CA nach 60 min.

k = 0,01 mol/(L·min)CA0 = 0,8 mol/Lt = 60 min

Gesucht: CA (mol/L)

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  1. Nullte Ordnung: Die Geschwindigkeit −dC/dt = k hängt nicht von der Konzentration ab.
  2. Integration ergibt C = C₀ − kt (gültig, bis A verbraucht ist).
  3. kt = 0,6 mol/L.
Antwort und Schritt-für-Schritt-Lösung anzeigen

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Integriertes Gesetz nullter Ordnung

CA = CA0 − kt = 0,8 − 0,01·60 = 0,2 mol/L

Antwort

CA = 0,2 mol/L
Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Mittel
Q = 20 L/minCA0​ = 2,5 mol/LCA​ = ?V = 200 L, k = 0,25 min⁻¹

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung A → B (k = 0,25 min⁻¹) läuft in einem idealen Strömungsrohr (PFR) mit 200 L. Der Zulauf tritt mit 20 L/min und CA0 = 2,5 mol/L ein. Die Dichte ist konstant, und der Reaktor ist im stationären Zustand. Bestimme die Austrittskonzentration CA.

V = 200 LQ = 20 L/mink = 0,25 min⁻¹CA0 = 2,5 mol/L

Gesucht: CA (mol/L)

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  1. Verweilzeit: τ = V/Q = 10 min.
  2. Strömungsrohr, erste Ordnung: CA = CA0·e^(−kτ).
  3. kτ = 2,5.
Antwort und Schritt-für-Schritt-Lösung anzeigen

Ideale Reaktoren, Reaktion erster Ordnung (−rA = k·CA) im stationären Zustand, mit der Verweilzeit τ = V/Q. Ein Rührkessel (CSTR) ist ideal durchmischt, daher reagiert das ganze Volumen bei der niedrigen Austrittskonzentration: τ = X/(k·(1 − X)) und CA = CA0/(1 + k·τ). In einem Strömungsrohr (PFR) reagiert jede Fluidscheibe wie ein kleiner Satzreaktor: τ = ln(1/(1 − X))/k und CA = CA0·e−k·τ. Für denselben Umsatz braucht ein Rührkessel immer mehr Volumen als ein Strömungsrohr.

Verweilzeit

τ = V/Q = 200/20 = 10 min

Austrittskonzentration

CA = 2,5·e−0,25·10 = 0,2052 mol/L

Antwort

CA = 0,2052 mol/L

Umsatz: X = 91,79%.

So funktioniert das Üben

  • „Diesen Kurs üben“ mischt Aufgaben aus allen Themen des Kurses, wie in einer echten Prüfung.
  • Jede Aufgabe hat neue Werte, so lernst du den Lösungsweg statt einer Antwort.
  • Du hängst fest? Öffne zuerst einen kleinen Tipp und die vollständige Erklärung erst, wenn du sie brauchst.
  • Probeklausuren haben ein Zeitlimit und keine Tipps, und am Ende bekommst du deine Punktzahl und eine vollständige Auswertung.

Rechner für diesen Kurs

Rechner für Rührkessel- und Strömungsrohrvolumen

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