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 1200 kg/h · 35% NaOHStrom 2ṁ₂ = ? · 5% NaOHProdukt15% NaOH

Wie viel von Strom 2 muss stündlich zu Strom 1 gegeben werden, damit das Gemisch 15 % NaOH enthält? Bestimme ṁ2.

ṁ1 = 200 kg/hx1 = 35 %x2 = 5 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.MassenbilanzSchwer
VerdampferZulauf F4000 kg/h · 13% NaOHProdukt P30% NaOHBrüden W (reines Wasser)W = ? kg/h

Ein Verdampfer konzentriert eine Lösung von NaOH, indem er reines Wasser abdampft. Bestimme die verdampfte Wassermenge W in kg/h.

F = 4000 kg/hxF = 13 %xP = 30 %
W = kg/h
3.EnergiebilanzMittel
heiße Seitekalte SeiteGlykolgemisch · 170 °C130 °CWasser · 10 °Ct = ? °C

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

ṁh = 3 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 170 → 130 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.EnergiebilanzSchwer
heiße Seitekalte SeiteLeichtöl · 150 °C60 °CWasser · 30 °C45 °C · ṁ = ?10 % Verlust

Heißes Leichtöl erwärmt Wasser in einem Wärmeübertrager, der 10 % der vom heißen Strom abgegebenen Wärme an die Umgebung verliert. Bestimme den nötigen Wasserstrom ṁc.

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 60 °Ct: 30 → 45 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Verlust = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ideales GasgesetzMittel
360 g N₂V = 50 LT = 50 °CP = ?

Ein Behälter mit 50 L enthält 360 g N₂ bei 50 °C. Behandle es als ideales Gas und bestimme den Druck P.

m = 360 gM = 28,01 g/molV = 50 LT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ideales GasgesetzSchwer
O₂, M = 32 g/molP = 600 kPaT = 40 °Cρ = ?

Bestimme die Dichte ρ von O₂ bei 600 kPa und 40 °C als ideales Gas.

M = 32 g/molP = 600 kPaT = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StöchiometrieMittel
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 1/ν× M(CO2​)

24 g CH4 und 24 g O2 reagieren nach CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Welche Masse m an CO2 kann entstehen?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.StöchiometrieSchwer
m(N2​)n(N2​)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(N2​)× 2/1× M(NH3​)

Bei der Reaktion N2 + 3H2 → 2NH3 reagieren 12 g N2 vollständig (die übrigen Edukte im Überschuss), und es werden 10,94 g NH3 gewonnen. Bestimme die prozentuale Ausbeute Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/moltatsächlich: 10,94 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 = 4. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 4
[HI] = mol/L
10.Chemisches GleichgewichtSchwer
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

PCl₅ zerfällt: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, mit Kc = 0,02 bei der Reaktionstemperatur. Ein Behälter enthält anfangs nur PCl₅ mit 0,8 mol/L. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,02
[PCl5] = mol/L
11.Kalorimetrie & EnthalpieMittel
Tf​ = ?Zinkm = 150 gT = 190 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Wasserm = 200 gT = 15 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Ein Block aus Zink mit 150 g (c = 0,388 J/(g·°C)) und einer Temperatur von 190 °C wird in einem isolierten Becher in 200 g Wasser (c = 4,18 J/(g·°C)) von 15 °C gelegt. Bestimme die Endtemperatur Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 190 °Cmwater = 200 gTwater = 15 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Kalorimetrie & EnthalpieSchwer
H250 g CH4​CH4​ + 2O₂EdukteCO₂ + 2H₂O(l)Produkteq = ?

Bestimme mit den Standardbildungsenthalpien die Wärme q, die frei wird, wenn 250 g CH4 (M = 16,04 g/mol) vollständig verbrennen: CH4 + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). Gib q als positive Zahl an.

ΔH°f(CH4) = −74,8 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)t½​ = ?C0​/2

Eine Reaktion zweiter Ordnung (−rA = k·CA²) hat k = 0,05 L/(mol·min) und eine Anfangskonzentration von 2 mol/L. Bestimme ihre erste Halbwertszeit t½.

k = 0,05 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/L
t½ = min
14.ReaktionskinetikSchwer
1/Tln kT = 80 °Cln 0,002ln A = ?Ea​ = 40 kJ/mol

Eine Reaktion erster Ordnung hat bei 80 °C eine Geschwindigkeitskonstante von 0,002 s⁻¹ und eine Aktivierungsenergie von 40 kJ/mol. Bestimme den Stoßfaktor (präexponentiellen Faktor) A in der Arrhenius-Gleichung.

k = 0,002 s⁻¹T = 80 °CEa = 40 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Mittel
QX = 80%gleiches Q, k und X wie der Rührkessel

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung soll 80 % Umsatz erreichen. Wie viel größer muss ein Rührkessel (CSTR) sein als ein Strömungsrohr (PFR) bei gleichem Zulauf, gleicher Geschwindigkeitskonstante und gleichem Umsatz? Bestimme das Verhältnis VCSTR/VPFR.

X = 80%erste Ordnung, gleiches k und Q
VCSTR/VPFR =
16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Schwer
V = 800 LQ = 100 L/minX = ?

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung (k = 0,05 min⁻¹) läuft in einem Rührkessel (CSTR) mit 800 L und einem Zulauf von 100 L/min. Die Dichte ist konstant, und der Reaktor ist im stationären Zustand. Bestimme den Umsatz X in Prozent.

V = 800 LQ = 100 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
17.Wärmeübertrager (LMTD)Mittel
LängeT170 °C45 °C70 °C30 °CΔT₁ΔT₂Gegenstrom

Ein Rohrbündel-Wärmeübertrager (ein Mantelgang, zwei Rohrgänge) soll 300 kW übertragen. Das heiße Fluid kühlt von 170 auf 45 °C ab, das kalte Fluid erwärmt sich von 30 auf 70 °C. Der LMTD-Korrekturfaktor für diese Anordnung ist F = 0,92, und U = 500 W/(m²·K). Bestimme die nötige Wärmeübertragungsfläche A.

Q̇ = 300 kWF = 0,92U = 500 W/(m²·K)Th: 170 → 45 °CTc: 30 → 70 °C
A = m²
18.Wärmeübertrager (LMTD)Schwer
LängeT140 °C10 °C?ΔT₁ΔT₂kondensierender Dampf

Dampf kondensiert bei konstant 140 °C an der Außenseite der Rohre eines Kondensators mit 4 m² Wärmeübertragungsfläche und U = 1000 W/(m²·K). Kühlwasser (2 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) tritt mit 10 °C in die Rohre ein. Bestimme die Austrittstemperatur des Wassers Tc,out.

Ts = 140 °CA = 4 m²U = 1000 W/(m²·K)ṁ = 2 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °C
Tc,out = °C
19.WärmeleitungMittel
Expandiertes Polystyrol, k = 0,03550 mmBeton, k = 1,450 mm23 °C0 °CQ̇ = ?

Eine Wand besteht aus 50 mm expandiertes Polystyrol und 50 mm Beton, mit einer Fläche von 6 m². Die Außenflächen haben 23 °C und 0 °C. Bestimme den Wärmestrom Q̇ durch die Wand.

L1 = 50 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 23 °CT3 = 0 °C
Q̇ = W
20.WärmeleitungSchwer
Ziegel, k = 0,72250 mmBeton, k = 1,475 mmRaum 21 °Caußen 3 °CTs​ = ?Q̇

Eine Wand aus 250 mm Ziegel und 75 mm Beton trennt einen Raum mit 21 °C von der Außenluft mit 3 °C. Die Wärmeübergangskoeffizienten sind innen 8 W/(m²·K) und außen 25 W/(m²·K), und die Wandfläche beträgt 15 m². Bestimme die Temperatur Ts der Innenoberfläche der Wand.

L1 = 250 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 15 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 3 °C
Ts = °C
21.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 2,3 m/sD = 75 mmL = 150 mf = 0,018

Wasser fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 2,3 m/s durch ein 150 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 75 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

V = 2,3 m/sL = 150 mD = 75 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 10freier AuslaufH = ?L = 100 m, D = 300 mm, f = 0,0184× Krümmer (K = 0,3)

Ein 100 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm (Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018) führt von einem offenen Behälter weg und tritt als freier Strahl ins Freie aus. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 4 Krümmer (je K = 0,3) und ein Ventil (K = 10). Verwende g = 9,81 m/s². Wie hoch H muss der Wasserspiegel im Behälter über dem Rohrauslauf liegen, damit der Durchfluss 75 L/s beträgt?

Q = 75 L/sL = 100 mD = 300 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10
H = m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 20 L/sH = 24 m

Eine Pumpe mit einem Wirkungsgrad von 72 % fördert 20 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 24 m. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die benötigte Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 20 L/sH = 24 mη = 72%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
400 kPa (Überdruck)PQ = 80 L/sΔz = 16 mL = 300 m, D = 200 mm, f = 0,022, ΣK = 6

Eine Pumpe fördert 80 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 16 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 300 m lang, hat einen Innendurchmesser von 200 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,022; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 6 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Der obere Tank ist geschlossen, und die Luft über dem Wasser steht unter einem Überdruck von 400 kPa. Bestimme die Förderhöhe H, die die Pumpe aufbringen muss.

Q = 80 L/sΔz = 16 mL = 300 mD = 200 mmf = 0,022ΣK = 6ptank = 400 kPa
H = m

3Lösungen

1.Massenbilanz

Antwort: ṁ2 = 400 kg/h

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

Bilanzen

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

Nach ṁ2 auflösen

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 200·(35 − 15)/(15 − 5) = 400 kg/h

Antwort

ṁ2 = 400 kg/h
2.Massenbilanz

Antwort: W = 2267 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 = 4000·13/30 = 1733 kg/h

Gesamtbilanz

W = F − P = 4000 − 1733 = 2267 kg/h

Antwort

W = 2267 kg/h
3.Energiebilanz

Antwort: tout = 44,45 °C

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

Vom heißen Strom abgegebene Wärme

Q = 3·3,6·(170 − 130) = 432 kW

Vom Wasser aufgenommene Wärme

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 432/(3·4,18) = 44,45 °C

Antwort

tout = 44,45 °C
4.Energiebilanz

Antwort: ṁc = 6,782 kg/s

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

Abgegebene Wärme

Qh = 2,5·2,1·(150 − 60) = 472,5 kW

Wärme, die das Wasser erreicht

Qc = (1 − 0,1)·472,5 = 425,3 kW

Wasserstrom

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 425,3/(4,18·15) = 6,782 kg/s

Antwort

ṁc = 6,782 kg/s
5.Ideales Gasgesetz

Antwort: P = 690,6 kPa

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

Stoffmenge

n = m/M = 360/28,01 = 12,85 mol
T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Druck

P = nRT/V = 12,85·8,314·323,1/0,05 = 690,6 kPa

Antwort

P = 690,6 kPa
6.Ideales Gasgesetz

Antwort: ρ = 7,375 kg/m³

Dichte eines idealen Gases: ρ = PM/(RT).

Gasgesetz umstellen

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 40 + 273,15 = 313,1 K

Dichte

ρ = 600·32/(8,314·313,1) = 7,375 kg/m³

Antwort

ρ = 7,375 kg/m³
7.Stöchiometrie

Antwort: m = 16,5 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) = 24/16,04 = 1,496 mol
n(O2) = 24/32 = 0,75 mol

Limitierender Reaktant

1,496/1 = 1,496, 0,75/2 = 0,375 → O2

Masse des Produkts

n(CO2) = 0,375·1 = 0,375 mol
m = 0,375·44,01 = 16,5 g

Antwort

m = 16,5 g
8.Stöchiometrie

Antwort: Y = 75 %

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(N2) = 12/28,02 = 0,4283 mol
m = 0,4283·2/1·17,03 = 14,59 g

Prozentuale Ausbeute

Y = 10,94/14,59·100 = 75%

Antwort

Y = 75%
9.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [HI] = 1 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

4 = (2x)²/(1 − x)²

Wurzel ziehen

2 = 2x/(1 − x) → x = 1·2/(2 + 2) = 0,5 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[HI] = 2x = 1 mol/L

Antwort

[HI] = 1 mol/L
10.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [PCl5] = 0,6831 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

0,02 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,02·x − 0,016 = 0

Quadratische Gleichung lösen

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,016))/2 = 0,1169 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[PCl₅] = 0,8 − 0,1169 = 0,6831 mol/L

Antwort

[PCl5] = 0,6831 mol/L
11.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: Tf = 26,39 °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

150·0,388·(190 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 15)

Nach der Endtemperatur auflösen

Tf = (58,2·190 + 836·15)/(58,2 + 836) = 26,39 °C

Antwort

Tf = 26,39 °C
12.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: q = 13876 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° = [1·(−393,5) + 2·(−285,8)] − [1·(−74,8) + 2·0] = −890,3 kJ

Wärme für die gegebene Masse

n = 250/16,04 = 15,59 mol
q = n·|ΔH°/1| = 15,59·890,3 = 13876 kJ

Antwort

q = 13876 kJ
13.Reaktionskinetik

Antwort: t½ = 10 min

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).

Halbwertszeit zweiter Ordnung

t½ = 1/(k·CA0) = 1/(0,05·2) = 10 min

Antwort

t½ = 10 min

Jede weitere Halbwertszeit ist doppelt so lang, weil sich C₀ halbiert hat.

14.Reaktionskinetik

Antwort: A = 1651 s⁻¹

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Absolute Temperatur

T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Arrhenius nach A auflösen

Ea/(RT) = 40000/(8,314·353,1) = 13,62
A = k·e13,62 = 0,002·8,254 × 10⁵ = 1651 s⁻¹

Antwort

A = 1651 s⁻¹
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: VCSTR/VPFR = 2,485

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.

k·τ für jeden Reaktor

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,8/0,2 = 4
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(5) = 1,609

Volumenverhältnis

VCSTR/VPFR = 4/1,609 = 2,485

Antwort

VCSTR/VPFR = 2,485

Der Unterschied wächst bei hohem Umsatz schnell.

16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: X = 28,57 %

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 = 800/100 = 8 min, kτ = 0,05·8 = 0,4

Umsatz

X = kτ/(1 + kτ) = 0,4/(1 + 0,4) = 28,57%

Antwort

X = 28,57%
17.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: A = 14,56 m²

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Temperaturdifferenzen an den Enden (Gegenstrom)

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 170 − 70 = 100 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 45 − 30 = 15 K

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (100 − 15)/ln(100/15) = 44,8 K

Fläche

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 300000/(500·0,92·44,8) = 14,56 m²

Antwort

A = 14,56 m²
18.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: Tc,out = 59,43 °C

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Energiebilanz und Wärmeübertragungsgleichung kombinieren

Mit ΔT₁ = Ts − Tc,in und ΔT₂ = Ts − Tc,out ist die Differenz ΔT₁ − ΔT₂ gleich dem Temperaturanstieg des Wassers, der Anstieg kürzt sich also heraus.

ṁcp(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁcp) = 1000·4/(2·4180) = 0,4785

Austrittstemperatur

ΔT₂ = ΔT₁·e−0,4785 = 130·0,6197 = 80,57 K
Tc,out = 140 − 80,57 = 59,43 °C

Antwort

Tc,out = 59,43 °C

Übertragene Wärme: Q̇ = 413,3 kW.

19.Wärmeleitung

Antwort: Q̇ = 94,24 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) = (50/1000)/(0,035·6) = 0,2381 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(1,4·6) = 0,005952 K/W

Wärmestrom

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 23/0,244 = 94,24 W

Antwort

Q̇ = 94,24 W
20.Wärmeleitung

Antwort: Ts = 17,02 °C

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/(8·15) = 0,008333 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,72·15) = 0,02315 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(1,4·15) = 0,003571 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·15) = 0,002667 K/W
ΣR = 0,03772 K/W

Wärmeverlust

Q̇ = (21 − (3))/0,03772 = 477,2 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 477,2·0,008333 = 17,02 °C

Antwort

Ts = 17,02 °C
21.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 9,706 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) = 2,3²/(2·9,81) = 0,2696 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(150/0,075)·2,3²/(2·9,81) = 9,706 m

Antwort

hf = 9,706 m
22.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: H = 1,073 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.

Geschwindigkeit

V = Q/A = 0,075/0,07069 = 1,061 m/s
V²/(2g) = 0,05738 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,018·100/0,3 = 6
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 = 11,7

Energiegleichung

Der austretende Strahl hat noch seine Geschwindigkeitshöhe; sie ist kein Verlust, muss aber aufgebracht werden.

H = (1 + 6 + 11,7)·0,05738 = 1,073 m

Antwort

H = 1,073 m
23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 6,54 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 = 1000·9,81·0,02·24 = 4,709 kW

Wellenleistung

Pshaft = Ph/η = 4,709/0,72 = 6,54 kW

Antwort

Pshaft = 6,54 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: H = 69,66 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) = (33 + 6)·0,3305 = 12,89 m

Druckhöhe

p/(ρ·g) = 400000/(1000·9,81) = 40,77 m

Förderhöhe

Beide Wasserspiegel sind praktisch in Ruhe, daher gibt es keinen Geschwindigkeitsterm.

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 16 + 40,77 + 12,89 = 69,66 m

Antwort

H = 69,66 m

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