Übungsaufgaben für die Prüfung FE Chemical: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 24 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

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1Formeln und Methoden

Massenbilanz

Stationärer Zustand
Eingang = Ausgang
Gesamtbilanz
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Komponentenbilanz
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Verdampfer
F·xF = P·xP, W = F − P

Energiebilanz

Fühlbare Wärme
Q = ṁ·cp·ΔT
Latente Wärme
Q = ṁ·hfg
Mischen
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Wasser
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Ideales Gasgesetz

Ideales Gasgesetz
pV = nRT
Gaskonstante
R = 8,314 J/(mol·K)
Allgemeine Gasgleichung
p1V1/T1 = p2V2/T2
Stoffmenge
n = m/M
Temperatur
T[K] = T[°C] + 273,15

Stöchiometrie

Stoffmenge
n = m/M
Konzentration
c = n/V
Stoffmengenverhältnis
die Koeffizienten der ausgeglichenen Gleichung verwenden
Limitierender Reaktant
der, der zuerst aufgebraucht ist
Prozentuale Ausbeute
tatsächlich / theoretisch × 100%

Methode

  1. Stelle die Reaktionsgleichung auf und gleiche sie aus.
  2. Rechne die gegebene Masse in Stoffmenge um: n = m/M.
  3. Verwende die Koeffizienten als Stoffmengenverhältnis, um die Stoffmenge des gesuchten Stoffs zu bestimmen.
  4. Rechne mit m = n·M wieder in eine Masse um. Bei zwei Edukten bestimmst du zuerst den limitierenden Reaktanten.

Chemisches Gleichgewicht

Gleichgewichtskonstante
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
ICE-Tabelle
Anfang, Änderung (×Koeffizient), Gleichgewicht
Quadratische Gleichung
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Methode

  1. Schreibe Kc als Produkte über Edukte, jeweils mit ihrem Koeffizienten als Exponent.
  2. Stelle eine ICE-Tabelle auf: Anfang (Initial), Änderung (Change, in Schritten von x mal den Koeffizienten), Gleichgewicht (Equilibrium).
  3. Setze die Gleichgewichtsausdrücke in Kc ein und löse nach x.
  4. Prüfe, ob x klein genug für eine Näherung ist; sonst löse die quadratische Gleichung.

Kalorimetrie & Enthalpie

Wärme
q = m·c·ΔT
Wasser
c = 4,18 J/(g·°C)
Kalorimeter
abgegebene Wärme = aufgenommene Wärme
Reaktionsenthalpie
ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)

Reaktionskinetik

Erste Ordnung
ln(CA/CA0) = −kt
Halbwertszeit (erste Ordnung)
t½ = ln 2/k
Zweite Ordnung
1/CA = 1/CA0 + kt
Arrhenius
k = A·e−Ea/(RT)
Zwei Temperaturen
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Verweilzeit
τ = V/Q
Rührkessel (CSTR), erste Ordnung
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
Strömungsrohr (PFR), erste Ordnung
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
Umsatz aus dem Volumen
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N gleiche Rührkessel in Reihe
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

Wärmeübertrager (LMTD)

Wärmeleistung
Q = U·A·ΔTlm
Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
Bilanz eines Stroms
Q = ṁcp(Tin − Tout)

Wärmeleitung

Fouriersches Gesetz
Q̇ = kAΔT/L
Wärmeleitwiderstand
R = L/(kA)
Wärmeübergangswiderstand
R = 1/(hA)
Widerstände in Reihe
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
U-Wert
U = 1/(ΣR·A)

Rohrreibung und Verlusthöhe

Reynolds-Zahl
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Strömungsform
laminar unter Re ≈ 2000, turbulent über Re ≈ 4000
Mittlere Geschwindigkeit
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Örtliche Verluste
hm = ΣK·V²/(2g)
Typische K-Werte
Einlauf 0,5, Auslauf 1,0, 90°-Krümmer ≈ 0,3
Druckverlust
Δp = ρ·g·hf
Zwei offene Behälter
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Freier Auslauf
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Pumpen und Pumpenleistung

Hydraulische Leistung
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Wellenleistung
Pshaft = Ph/ηpump
Elektrische Leistung
Pel = Pshaft/ηmotor
Förderhöhe
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Anlagenverluste
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Übungsaufgaben

1.MassenbilanzMittel
MischerStrom 1400 kg/h · 10% ZuckerStrom 2ṁ₂ = ? · 45% ZuckerProdukt35% Zucker

Wie viel von Strom 2 muss stündlich zu Strom 1 gegeben werden, damit das Gemisch 35 % Zucker enthält? Bestimme ṁ2.

ṁ1 = 400 kg/hx1 = 10 %x2 = 45 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.MassenbilanzSchwer
VerdampferZulauf F600 kg/h · 17% ZuckerProdukt PP = ? · 60%Brüden W (reines Wasser)0% Zucker

Ein Verdampfer konzentriert eine Lösung von Zucker, indem er reines Wasser abdampft. Bestimme den Produktstrom P in kg/h.

F = 600 kg/hxF = 17 %xP = 60 %
P = kg/h
3.EnergiebilanzMittel
heiße Seitekalte SeiteGlykolgemisch · 180 °C90 °CWasser · 30 °Ct = ? °C

Heißes Glykolgemisch kühlt Wasser in einem Gegenstrom-Wärmeübertrager ohne Wärmeverlust. Bestimme die Austrittstemperatur des Wassers tout.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 90 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.EnergiebilanzSchwer
heiße Seitekalte SeiteEthanol · 160 °C130 °CWasser · 15 °C60 °C · ṁ = ?5 % Verlust

Heißes Ethanol erwärmt Wasser in einem Wärmeübertrager, der 5 % der vom heißen Strom abgegebenen Wärme an die Umgebung verliert. Bestimme den nötigen Wasserstrom ṁc.

ṁh = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 130 °Ct: 15 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Verlust = 5 %
ṁc = kg/s
5.Ideales GasgesetzMittel
470 g N₂V = 20 LT = 20 °CP = ?

Ein Behälter mit 20 L enthält 470 g N₂ bei 20 °C. Behandle es als ideales Gas und bestimme den Druck P.

m = 470 gM = 28,01 g/molV = 20 LT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ideales GasgesetzSchwer
Zustand 1Zustand 2

Eine feste Menge He geht von 200 kPa, 20 L, 35 °C über zu 650 kPa und 80 °C. Bestimme das neue Volumen V2.

P1 = 200 kPaV1 = 20 LT1 = 35 °CP2 = 650 kPaT2 = 80 °C
V2 = L
7.StöchiometrieMittel
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

30 g CH4 und 20 g O2 reagieren nach CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Welche Masse m an H2O kann entstehen?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StöchiometrieSchwer
m(Al)n(Al)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(Al)× 2/2× M(AlCl3​)

Bei der Reaktion 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3 reagieren 8 g Al vollständig (die übrigen Edukte im Überschuss), und es werden 21,74 g AlCl3 gewonnen. Bestimme die prozentuale Ausbeute Y.

M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl3) = 133,33 g/moltatsächlich: 21,74 g
Y = %
9.Chemisches GleichgewichtMittel
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

1 mol/L H₂ und 1 mol/L I₂ werden in einen Behälter gegeben und reagieren: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, mit Kc = 36. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 36
[H2] = mol/L
10.Chemisches GleichgewichtSchwer
PCl5​PCl3​Cl2​I0,400C−x+x+xE0,4 − xxx

PCl₅ zerfällt: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, mit Kc = 0,04 bei der Reaktionstemperatur. Ein Behälter enthält anfangs nur PCl₅ mit 0,4 mol/L. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,04
[PCl5] = mol/L
11.Kalorimetrie & EnthalpieMittel
Tf​ = ?Bleim = 200 gT = 90 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Wasserm = 200 gT = 18 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Ein Block aus Blei mit 200 g (c = 0,129 J/(g·°C)) und einer Temperatur von 90 °C wird in einem isolierten Becher in 200 g Wasser (c = 4,18 J/(g·°C)) von 18 °C gelegt. Bestimme die Endtemperatur Tf.

mmetal = 200 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 90 °Cmwater = 200 gTwater = 18 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Kalorimetrie & EnthalpieSchwer
H100 g C3​H8​C3​H8​ + 5O₂Edukte3CO₂ + 4H₂O(l)Produkteq = ?

Bestimme mit den Standardbildungsenthalpien die Wärme q, die frei wird, wenn 100 g C3H8 (M = 44,1 g/mol) vollständig verbrennen: C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l). Gib q als positive Zahl an.

ΔH°f(C3H8) = −103,8 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
q = kJ
13.ReaktionskinetikMittel
t (min)C (mol/L)30 minC = ?

Eine Reaktion mit dem Geschwindigkeitsgesetz −rA = k·CA² hat k = 0,2 L/(mol·min) und startet bei 0,5 mol/L. Bestimme die Konzentration CA nach 30 min.

k = 0,2 L/(mol·min)CA0 = 0,5 mol/Lt = 30 min
CA = mol/L
14.ReaktionskinetikSchwer
Tk35 °C0,00560 °C0,0216

Die Geschwindigkeitskonstante einer Reaktion beträgt 0,005 min⁻¹ bei 35 °C und 0,0216 min⁻¹ bei 60 °C. Bestimme die Aktivierungsenergie Ea.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 35 °Ck2 = 0,0216 min⁻¹T2 = 60 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Mittel
Q = 40 L/minX = 95%V = ?, k = 0,1 min⁻¹

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung A → B mit k = 0,1 min⁻¹ wird in einem Strömungsrohr (PFR) mit einem Zulauf von 40 L/min durchgeführt. Die Dichte ist konstant, und der Reaktor ist im stationären Zustand. Bestimme das Reaktorvolumen V in Litern für 95 % Umsatz von A.

Q = 40 L/mink = 0,1 min⁻¹X = 95%
V = L
16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Schwer
Q = 50 L/minX = ?V = 150 L

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung (k = 0,12 min⁻¹) läuft in einem Strömungsrohr (PFR) mit 150 L und einem Zulauf von 50 L/min. Die Dichte ist konstant, und der Reaktor ist im stationären Zustand. Bestimme den Umsatz X in Prozent.

V = 150 LQ = 50 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
17.Wärmeübertrager (LMTD)Mittel
LängeT165 °C105 °C60 °C10 °CΔT₁ΔT₂Gegenstrom

Ein Gegenstrom-Wärmeübertrager überträgt 300 kW. Das heiße Fluid kühlt von 165 auf 105 °C ab, und das kalte Fluid erwärmt sich von 10 auf 60 °C. Der Wärmedurchgangskoeffizient beträgt 1500 W/(m²·K). Bestimme die nötige Wärmeübertragungsfläche A.

Q̇ = 300 kWU = 1500 W/(m²·K)Th: 165 → 105 °CTc: 10 → 60 °C
A = m²
18.Wärmeübertrager (LMTD)Schwer
LängeT100 °C55 °C32,54 °C25 °CΔT₁ΔT₂Gegenstrom

Heißes Öl (1 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) kühlt in einem Gegenstrom-Wärmeübertrager von 100 auf 55 °C ab. Es erwärmt 3 kg/s Wasser (cp = 4,18 kJ/(kg·K)), das mit 25 °C eintritt. Bestimme mit U = 500 W/(m²·K) die nötige Wärmeübertragungsfläche A.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 100 → 55 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °CU = 500 W/(m²·K)
A = m²
19.WärmeleitungMittel
Gipskarton, k = 0,17100 mmBeton, k = 1,4150 mm17 °C7 °CQ̇ = ?

Eine Wand besteht aus 100 mm Gipskarton und 150 mm Beton, mit einer Fläche von 6 m². Die Außenflächen haben 17 °C und 7 °C. Bestimme den Wärmestrom Q̇ durch die Wand.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 17 °CT3 = 7 °C
Q̇ = W
20.WärmeleitungSchwer
Beton, k = 1,4250 mmExpandiertes Polystyrol, k = 0,03525 mmRaum 21 °Caußen -2 °CQ̇ = ?

Eine Wand aus 250 mm Beton und 25 mm expandiertes Polystyrol trennt einen Raum mit 21 °C von der Außenluft mit -2 °C. Die Wärmeübergangskoeffizienten sind innen 8 W/(m²·K) und außen 25 W/(m²·K), und die Wandfläche beträgt 10 m². Bestimme den Wärmeverlust Q̇ durch die Wand.

L1 = 250 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 10 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -2 °C
Q̇ = W
21.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 2,4 m/sD = 200 mmL = 50 mf = 0,022

Wasser fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 2,4 m/s durch ein 50 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 200 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,022 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

V = 2,4 m/sL = 50 mD = 200 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 5Δz = 18 mL = 300 m, D = 250 mm, f = 0,024× Krümmer (K = 0,3)

Zwei offene Behälter sind durch ein 300 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 250 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,02 verbunden. Der Wasserspiegel des oberen Behälters liegt 18 m über dem des unteren. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 4 Krümmer (je K = 0,3), ein Ventil (K = 5) und der Auslauf in den unteren Behälter (K = 1,0). Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Durchfluss Q in L/s.

Δz = 18 mL = 300 mD = 250 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 60 L/sH = 64 m

Eine Pumpe fördert 60 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 64 m. Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 65 %, und der antreibende Elektromotor hat einen Wirkungsgrad von 88 %. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die elektrische Leistung Pel, die der Motor aufnimmt, in kW.

Q = 60 L/sH = 64 mηpump = 65%ηmotor = 88%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 80 L/sΔz = 5 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,025, ΣK = 4

Eine Pumpe fördert 80 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 5 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 200 m lang, hat einen Innendurchmesser von 200 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,025; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 4 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die Förderhöhe H, die die Pumpe aufbringen muss.

Q = 80 L/sΔz = 5 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,025ΣK = 4
H = m

3Lösungen

1.Massenbilanz

Antwort: ṁ2 = 1000 kg/h

Stationäre Massenbilanz: Eingang = Ausgang für die Gesamtmasse und für jede Komponente. Mischaufgaben verbinden beides.

Bilanzen

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
Zucker: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Nach ṁ2 auflösen

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 400·(10 − 35)/(35 − 45) = 1000 kg/h

Antwort

ṁ2 = 1000 kg/h
2.Massenbilanz

Antwort: P = 170 kg/h

Bezugskomponente: Eine Komponente, die unverändert in nur einem Strom durchläuft (hier der gelöste Stoff), verknüpft die Ströme direkt. Die Gesamtbilanz liefert den Rest.

Bilanz des gelösten Stoffs

F·xF = P·xP → P = 600·17/60 = 170 kg/h

Antwort

P = 170 kg/h
3.Energiebilanz

Antwort: tout = 42,92 °C

Energiebilanz des Wärmeübertragers: Ohne Verluste gilt ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

Vom heißen Strom abgegebene Wärme

Q = 0,5·3,6·(180 − 90) = 162 kW

Vom Wasser aufgenommene Wärme

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 162/(3·4,18) = 42,92 °C

Antwort

tout = 42,92 °C
4.Energiebilanz

Antwort: ṁc = 1,109 kg/s

Energiebilanz mit Verlusten: abgegebene Wärme = aufgenommene Wärme + Wärmeverlust.

Abgegebene Wärme

Qh = 3·2,44·(160 − 130) = 219,6 kW

Wärme, die das Wasser erreicht

Qc = (1 − 0,05)·219,6 = 208,6 kW

Wasserstrom

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 208,6/(4,18·45) = 1,109 kg/s

Antwort

ṁc = 1,109 kg/s
5.Ideales Gasgesetz

Antwort: P = 2045 kPa

Ideales Gasgesetz: PV = nRT, mit n = m/M.

Stoffmenge

n = m/M = 470/28,01 = 16,78 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K

Druck

P = nRT/V = 16,78·8,314·293,1/0,02 = 2045 kPa

Antwort

P = 2045 kPa
6.Ideales Gasgesetz

Antwort: V2 = 7,053 L

Allgemeine Gasgleichung: Für eine feste Menge eines idealen Gases gilt P1V1/T1 = P2V2/T2.

Absolute Temperaturen

T1 = 308,1 K, T2 = 353,1 K

Allgemeine Gasgleichung

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(200/650)·(353,1/308,1) = 7,053 L

Antwort

V2 = 7,053 L
7.Stöchiometrie

Antwort: m = 11,26 g

Stöchiometrie: Eine ausgeglichene Gleichung zählt Teilchen, nicht Gramm. Rechne Masse mit n = m/M in Stoffmenge um, nimm die Koeffizienten der Gleichung als Stoffmengenverhältnis und rechne mit m = n·M zurück. Bei zwei Edukten ist der limitierende Reaktant der, der zuerst verbraucht ist und die Produktmenge bestimmt.

Stoffmenge jedes Edukts

n(CH4) = 30/16,04 = 1,87 mol
n(O2) = 20/32 = 0,625 mol

Limitierender Reaktant

1,87/1 = 1,87, 0,625/2 = 0,3125 → O2

Masse des Produkts

n(H2O) = 0,3125·2 = 0,625 mol
m = 0,625·18,02 = 11,26 g

Antwort

m = 11,26 g
8.Stöchiometrie

Antwort: Y = 54,99 %

Stöchiometrie: Eine ausgeglichene Gleichung zählt Teilchen, nicht Gramm. Rechne Masse mit n = m/M in Stoffmenge um, nimm die Koeffizienten der Gleichung als Stoffmengenverhältnis und rechne mit m = n·M zurück. Bei zwei Edukten ist der limitierende Reaktant der, der zuerst verbraucht ist und die Produktmenge bestimmt.

Theoretische Ausbeute

n(Al) = 8/26,98 = 0,2965 mol
m = 0,2965·2/2·133,33 = 39,53 g

Prozentuale Ausbeute

Y = 21,74/39,53·100 = 54,99%

Antwort

Y = 54,99%
9.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [H2] = 0,25 mol/L

Chemisches Gleichgewicht: Für aA + bB ⇌ cC + dD ist die Gleichgewichtskonstante Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), gebildet mit den Konzentrationen im Gleichgewicht. Eine ICE-Tabelle (Initial = Anfang, Change = Änderung, Equilibrium = Gleichgewicht) verknüpft die Anfangsmengen über eine einzige Unbekannte x, skaliert mit den Koeffizienten, mit den Gleichgewichtsmengen.

Gleichgewichtsausdruck

36 = (2x)²/(1 − x)²

Wurzel ziehen

6 = 2x/(1 − x) → x = 1·6/(2 + 6) = 0,75 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[H₂] = 1 − x = 0,25 mol/L

Antwort

[H2] = 0,25 mol/L
10.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [PCl5] = 0,2919 mol/L

Chemisches Gleichgewicht: Für aA + bB ⇌ cC + dD ist die Gleichgewichtskonstante Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), gebildet mit den Konzentrationen im Gleichgewicht. Eine ICE-Tabelle (Initial = Anfang, Change = Änderung, Equilibrium = Gleichgewicht) verknüpft die Anfangsmengen über eine einzige Unbekannte x, skaliert mit den Koeffizienten, mit den Gleichgewichtsmengen.

Gleichgewichtsausdruck

0,04 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,04·x − 0,016 = 0

Quadratische Gleichung lösen

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,016))/2 = 0,1081 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[PCl₅] = 0,4 − 0,1081 = 0,2919 mol/L

Antwort

[PCl5] = 0,2919 mol/L
11.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: Tf = 20,16 °C

Wärme und Enthalpie: Um einen Stoff zu erwärmen, braucht man q = m·c·ΔT. Im Kalorimeter ist die vom heißen Körper abgegebene Wärme gleich der vom kalten aufgenommenen. Die Reaktionsenthalpie folgt aus den Bildungsenthalpien: ΔH° = ΣΔH°f(Produkte) − ΣΔH°f(Edukte), jeweils mit dem Koeffizienten multipliziert.

Wärmebilanz

200·0,129·(90 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 18)

Nach der Endtemperatur auflösen

Tf = (25,8·90 + 836·18)/(25,8 + 836) = 20,16 °C

Antwort

Tf = 20,16 °C
12.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: q = 5034 kJ

Wärme und Enthalpie: Um einen Stoff zu erwärmen, braucht man q = m·c·ΔT. Im Kalorimeter ist die vom heißen Körper abgegebene Wärme gleich der vom kalten aufgenommenen. Die Reaktionsenthalpie folgt aus den Bildungsenthalpien: ΔH° = ΣΔH°f(Produkte) − ΣΔH°f(Edukte), jeweils mit dem Koeffizienten multipliziert.

Reaktionsenthalpie

ΔH° = [3·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [1·(−103,8) + 5·0] = −2220 kJ

Wärme für die gegebene Masse

n = 100/44,1 = 2,268 mol
q = n·|ΔH°/1| = 2,268·2220 = 5034 kJ

Antwort

q = 5034 kJ
13.Reaktionskinetik

Antwort: CA = 0,125 mol/L

Reaktionsgeschwindigkeit: Für eine Reaktion erster Ordnung gilt −dC/dt = kC, also C = C₀·e−kt, und die Halbwertszeit ln 2/k hängt nicht von der Konzentration ab. Für eine Reaktion zweiter Ordnung gilt 1/C = 1/C₀ + kt. Die Geschwindigkeitskonstante steigt mit der Temperatur nach Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Integriertes Gesetz zweiter Ordnung

1/CA = 1/CA0 + kt = 2 + 0,2·30 = 8 L/mol
CA = 1/8 = 0,125 mol/L

Antwort

CA = 0,125 mol/L
14.Reaktionskinetik

Antwort: Ea = 49,96 kJ/mol

Reaktionsgeschwindigkeit: Für eine Reaktion erster Ordnung gilt −dC/dt = kC, also C = C₀·e−kt, und die Halbwertszeit ln 2/k hängt nicht von der Konzentration ab. Für eine Reaktion zweiter Ordnung gilt 1/C = 1/C₀ + kt. Die Geschwindigkeitskonstante steigt mit der Temperatur nach Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Absolute Temperaturen

T1 = 308,1 K, T2 = 333,1 K

Arrhenius nach Ea auflösen

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,463/(-2,435e-4) = 49957 J/mol
Ea = 49,96 kJ/mol

Antwort

Ea = 49,96 kJ/mol
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: V = 1198 L

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 = ln(1/(1 − 0,95))/0,1 = 2,996/0,1 = 29,96 min

Volumen

V = Q·τ = 40·29,96 = 1198 L

Antwort

V = 1198 L
16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: X = 30,23 %

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 = 150/50 = 3 min, kτ = 0,12·3 = 0,36

Umsatz

X = 1 − e−kτ = 1 − e−0,36 = 30,23%

Antwort

X = 30,23%
17.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: A = 2,002 m²

LMTD-Methode: Die Temperaturdifferenz zwischen den Strömen ändert sich entlang des Wärmeübertragers, daher verwendet die Gleichung ihren logarithmischen Mittelwert: Q̇ = U·A·ΔTlm, mit ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), wobei ΔT₁ und ΔT₂ die Differenzen an den beiden Enden sind. Gegenstrom ergibt bei gleichen Ein- und Austrittstemperaturen ein größeres ΔTlm als Gleichstrom.

Temperaturdifferenzen an den Enden

Im Gegenstrom liegt der heiße Eintritt dem kalten Austritt gegenüber und der heiße Austritt dem kalten Eintritt.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 165 − 60 = 105 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 105 − 10 = 95 K

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (105 − 95)/ln(105/95) = 99,92 K

Fläche

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 300000/(1500·99,92) = 2,002 m²

Antwort

A = 2,002 m²
18.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: A = 4,088 m²

LMTD-Methode: Die Temperaturdifferenz zwischen den Strömen ändert sich entlang des Wärmeübertragers, daher verwendet die Gleichung ihren logarithmischen Mittelwert: Q̇ = U·A·ΔTlm, mit ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), wobei ΔT₁ und ΔT₂ die Differenzen an den beiden Enden sind. Gegenstrom ergibt bei gleichen Ein- und Austrittstemperaturen ein größeres ΔTlm als Gleichstrom.

Wärmeleistung und Austrittstemperatur des Wassers

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 1·2,1·45 = 94,5 kW
Tc,out = 25 + 94,5/(3·4,18) = 32,54 °C

Temperaturdifferenzen an den Enden

Im Gegenstrom liegt der heiße Eintritt dem kalten Austritt gegenüber und der heiße Austritt dem kalten Eintritt.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 100 − 32,54 = 67,46 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 55 − 25 = 30 K

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (67,46 − 30)/ln(67,46/30) = 46,23 K

Fläche

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 94500/(500·46,23) = 4,088 m²

Antwort

A = 4,088 m²
19.Wärmeleitung

Antwort: Q̇ = 86,28 W

Wärmewiderstand: Stationärer Wärmestrom durch hintereinanderliegende Schichten verhält sich wie Strom durch Widerstände in Reihe: Q̇ = ΔT/ΣR, mit R = L/(kA) für eine leitende Schicht und R = 1/(hA) für eine Oberfläche mit Konvektion. Der Temperaturabfall über jede Schicht ist proportional zu ihrem Widerstand.

Schichtwiderstände

R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,17·6) = 0,09804 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(1,4·6) = 0,01786 K/W

Wärmestrom

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 10/0,1159 = 86,28 W

Antwort

Q̇ = 86,28 W
20.Wärmeleitung

Antwort: Q̇ = 217,4 W

Wärmewiderstand: Stationärer Wärmestrom durch hintereinanderliegende Schichten verhält sich wie Strom durch Widerstände in Reihe: Q̇ = ΔT/ΣR, mit R = L/(kA) für eine leitende Schicht und R = 1/(hA) für eine Oberfläche mit Konvektion. Der Temperaturabfall über jede Schicht ist proportional zu ihrem Widerstand.

Widerstände in Reihe

Ri = 1/(hiA) = 1/(8·10) = 0,0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(1,4·10) = 0,01786 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,035·10) = 0,07143 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·10) = 0,004 K/W
ΣR = 0,1058 K/W

Wärmeverlust

Q̇ = (21 − (-2))/0,1058 = 217,4 W

Antwort

Q̇ = 217,4 W
21.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 1,615 m

Rohrströmung: Die Reynolds-Zahl Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ unterscheidet laminare Strömung (Re unter etwa 2000) von turbulenter Strömung (über etwa 4000). Reibung entlang eines Rohrs kostet die Verlusthöhe nach Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Formstücke, Armaturen, Einlauf und Auslauf erzeugen zusätzlich örtliche Verluste hm = ΣK·V²/(2g). Zwischen zwei offenen Wasserspiegeln liefert die Energiegleichung Δz = hf + hm, einschließlich des Auslaufverlusts K = 1.

Geschwindigkeitshöhe

V²/(2g) = 2,4²/(2·9,81) = 0,2936 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(50/0,2)·2,4²/(2·9,81) = 1,615 m

Antwort

hf = 1,615 m
22.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Q = 163,8 L/s

Rohrströmung: Die Reynolds-Zahl Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ unterscheidet laminare Strömung (Re unter etwa 2000) von turbulenter Strömung (über etwa 4000). Reibung entlang eines Rohrs kostet die Verlusthöhe nach Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Formstücke, Armaturen, Einlauf und Auslauf erzeugen zusätzlich örtliche Verluste hm = ΣK·V²/(2g). Zwischen zwei offenen Wasserspiegeln liefert die Energiegleichung Δz = hf + hm, einschließlich des Auslaufverlusts K = 1.

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,02·300/0,25 = 24
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 + 1,0 = 7,7

Energiegleichung

Beide Wasserspiegel sind offen zur Atmosphäre und praktisch in Ruhe, daher geht das gesamte Δz in der Rohrleitung verloren.

18 = (24 + 7,7)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·18/31,7) = 3,338 m/s

Volumenstrom

Q = V·π·D²/4 = 3,338·0,04909 = 0,1638 m³/s = 163,8 L/s

Antwort

Q = 163,8 L/s
23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pel = 65,86 kW

Pumpenleistung: Die an das Wasser abgegebene Leistung ist die hydraulische Leistung Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Die Welle muss mehr liefern, weil in der Pumpe Verluste entstehen: Pshaft = Ph/ηpump, und der Motor nimmt Pel = Pshaft/ηmotor auf. Die Förderhöhe H ergibt sich aus der Energiegleichung: geodätische Höhe + Druckhöhe + alle Reibungs- und örtlichen Verluste.

Hydraulische Leistung

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,06·64 = 37,67 kW

Wellenleistung

Pshaft = 37,67/0,65 = 57,95 kW

Elektrische Leistung

Pel = 57,95/0,88 = 65,86 kW

Antwort

Pel = 65,86 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: H = 14,58 m

Pumpenleistung: Die an das Wasser abgegebene Leistung ist die hydraulische Leistung Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Die Welle muss mehr liefern, weil in der Pumpe Verluste entstehen: Pshaft = Ph/ηpump, und der Motor nimmt Pel = Pshaft/ηmotor auf. Die Förderhöhe H ergibt sich aus der Energiegleichung: geodätische Höhe + Druckhöhe + alle Reibungs- und örtlichen Verluste.

Geschwindigkeit

V = Q/A = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (25 + 4)·0,3305 = 9,585 m

Förderhöhe

Beide Wasserspiegel sind offen und praktisch in Ruhe, daher entfallen Druck- und Geschwindigkeitsterme.

H = Δz + hL = 5 + 9,585 = 14,58 m

Antwort

H = 14,58 m

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