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 1350 kg/h · 50% SalzStrom 2ṁ₂ = ? · 10% SalzProdukt25% Salz

Wie viel von Strom 2 muss stündlich zu Strom 1 gegeben werden, damit das Gemisch 25 % Salz enthält? Bestimme ṁ2.

ṁ1 = 350 kg/hx1 = 50 %x2 = 10 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.MassenbilanzSchwer
VerdampferZulauf F2600 kg/h · 10% NaOHProdukt PP = ? · 35%Brüden W (reines Wasser)0% NaOH

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

F = 2600 kg/hxF = 10 %xP = 35 %
P = kg/h
3.EnergiebilanzMittel
heiße Seitekalte SeiteLeichtöl · 140 °C70 °CWasser · 15 °Ct = ? °C

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

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 140 → 70 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.EnergiebilanzSchwer
heiße Seitekalte SeiteGlykolgemisch · 130 °C60 °CWasser · 30 °C60 °C · ṁ = ?15 % Verlust

Heißes Glykolgemisch erwärmt Wasser in einem Wärmeübertrager, der 15 % der vom heißen Strom abgegebenen Wärme an die Umgebung verliert. Bestimme den nötigen Wasserstrom ṁc.

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 130 → 60 °Ct: 30 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Verlust = 15 %
ṁc = kg/s
5.Ideales GasgesetzMittel
340 g CH₄P = 500 kPaT = 25 °CV = ?

Welches Volumen V nehmen 340 g CH₄ bei 500 kPa und 25 °C ein? Behandle es als ideales Gas.

m = 340 gM = 16,04 g/molP = 500 kPaT = 25 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ideales GasgesetzSchwer
Zustand 1Zustand 2

Eine feste Menge Ar geht von 350 kPa, 5 L, 30 °C über zu 200 kPa und 80 °C. Bestimme das neue Volumen V2.

P1 = 350 kPaV1 = 5 LT1 = 30 °CP2 = 200 kPaT2 = 80 °C
V2 = L
7.StöchiometrieMittel
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

6 g Mg und 64 g O2 reagieren nach 2Mg + O2 → 2MgO. Welche Masse m an MgO kann entstehen?

M(Mg) = 24,31M(O2) = 32M(MgO) = 40,3 g/mol
m = g
8.StöchiometrieSchwer
m(Na)n(Na)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(Na)× 2/2× M(NaCl)

Bei der Reaktion 2Na + Cl2 → 2NaCl reagieren 16 g Na vollständig (die übrigen Edukte im Überschuss), und es werden 37,01 g NaCl gewonnen. Bestimme die prozentuale Ausbeute Y.

M(Na) = 22,99 g/molM(NaCl) = 58,44 g/moltatsächlich: 37,01 g
Y = %
9.Chemisches GleichgewichtMittel
H2​I2​HII0,20,20C−x−x+2xE0,2 − x0,2 − x2x

0,2 mol/L H₂ und 0,2 mol/L I₂ werden in einen Behälter gegeben und reagieren: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, mit Kc = 36. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 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 = 0,2 bei der Reaktionstemperatur. Ein Behälter enthält anfangs nur PCl₅ mit 0,4 mol/L. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,2
[Cl2] = mol/L
11.Kalorimetrie & EnthalpieMittel
Tf​ = ?Aluminiumm = 200 gT = 80 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Wasserm = 150 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Ein Block aus Aluminium mit 200 g (c = 0,897 J/(g·°C)) und einer Temperatur von 80 °C wird in einem isolierten Becher in 150 g Wasser (c = 4,18 J/(g·°C)) von 19 °C gelegt. Bestimme die Endtemperatur Tf.

mmetal = 200 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 80 °Cmwater = 150 gTwater = 19 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Kalorimetrie & EnthalpieSchwer
H100 g CH3​OH2CH3​OH + 3O₂Edukte2CO₂ + 4H₂O(l)Produkteq = ?

Bestimme mit den Standardbildungsenthalpien die Wärme q, die frei wird, wenn 100 g CH3OH (M = 32,04 g/mol) vollständig verbrennen: 2CH3OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l). Gib q als positive Zahl an.

ΔH°f(CH3OH) = −238,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
q = kJ
13.ReaktionskinetikMittel
t (min)X (%)t = ?30%

Eine Reaktion nullter Ordnung hat k = 0,04 mol/(L·min) und startet bei 1,2 mol/L. Wie lange dauert es bis zu einem Umsatz von 30 %? Bestimme t.

k = 0,04 mol/(L·min)CA0 = 1,2 mol/LX = 30 %
t = min
14.ReaktionskinetikSchwer
Tk20 °C0,130 °C0,338

Die Geschwindigkeitskonstante einer Reaktion beträgt 0,1 min⁻¹ bei 20 °C und 0,338 min⁻¹ bei 30 °C. Bestimme die Aktivierungsenergie Ea.

k1 = 0,1 min⁻¹T1 = 20 °Ck2 = 0,338 min⁻¹T2 = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Mittel
Q = 5 L/minX = 95%V = ?, k = 0,4 min⁻¹

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung A → B mit k = 0,4 min⁻¹ wird in einem Strömungsrohr (PFR) mit einem Zulauf von 5 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 = 5 L/mink = 0,4 min⁻¹X = 95%
V = L
16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Schwer
V = 1000 LQ = 25 L/minX = ?

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung (k = 0,1 min⁻¹) läuft in einem Rührkessel (CSTR) mit 1000 L und einem Zulauf von 25 L/min. Die Dichte ist konstant, und der Reaktor ist im stationären Zustand. Bestimme den Umsatz X in Prozent.

V = 1000 LQ = 25 L/mink = 0,1 min⁻¹
X = %
17.Wärmeübertrager (LMTD)Mittel
LängeT170 °C80 °C85 °C25 °CΔT₁ΔT₂Gegenstrom

Ein Rohrbündel-Wärmeübertrager (ein Mantelgang, zwei Rohrgänge) soll 210 kW übertragen. Das heiße Fluid kühlt von 170 auf 80 °C ab, das kalte Fluid erwärmt sich von 25 auf 85 °C. Der LMTD-Korrekturfaktor für diese Anordnung ist F = 0,88, und U = 500 W/(m²·K). Bestimme die nötige Wärmeübertragungsfläche A.

Q̇ = 210 kWF = 0,88U = 500 W/(m²·K)Th: 170 → 80 °CTc: 25 → 85 °C
A = m²
18.Wärmeübertrager (LMTD)Schwer
LängeT95 °C65 °C48,92 °C25 °CΔT₁ΔT₂Gegenstrom

Heißes Öl (2 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) kühlt in einem Gegenstrom-Wärmeübertrager von 95 auf 65 °C ab. Es erwärmt 1,5 kg/s Wasser (cp = 4,18 kJ/(kg·K)), das mit 25 °C eintritt. Bestimme mit U = 200 W/(m²·K) die nötige Wärmeübertragungsfläche A.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 95 → 65 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²
19.WärmeleitungMittel
Beton, k = 1,4200 mmHolz, k = 0,17150 mm16 °C5 °CTi​ = ?Q̇

Eine Wand besteht aus 200 mm Beton und 150 mm Holz, mit einer Fläche von 12 m². Die Außenflächen haben 16 °C und 5 °C. Bestimme die Temperatur Ti an der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten.

L1 = 200 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 16 °CT3 = 5 °C
Ti = °C
20.WärmeleitungSchwer
Mineralwolle, k = 0,04200 mmGlas, k = 0,96100 mmRaum 20 °Caußen -6 °CTs​ = ?Q̇

Eine Wand aus 200 mm Mineralwolle und 100 mm Glas trennt einen Raum mit 20 °C von der Außenluft mit -6 °C. Die Wärmeübergangskoeffizienten sind innen 10 W/(m²·K) und außen 30 W/(m²·K), und die Wandfläche beträgt 4 m². Bestimme die Temperatur Ts der Innenoberfläche der Wand.

L1 = 200 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 4 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -6 °C
Ts = °C
21.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 0,9 m/sD = 100 mmL = 800 mf = 0,03

Wasser (ρ = 1000 kg/m³) fließt mit 0,9 m/s durch ein waagerechtes, 800 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 100 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,03 und g = 9,81 m/s². Bestimme den Druckverlust Δp über das Rohr in kPa.

V = 0,9 m/sL = 800 mD = 100 mmf = 0,03ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 0,2Δz = ?L = 100 m, D = 200 mm, f = 0,023× Krümmer (K = 0,3)

Zwei offene Behälter sind durch ein 100 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 200 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,02 verbunden. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 3 Krümmer (je K = 0,3), ein Ventil (K = 0,2) und der Auslauf in den unteren Behälter (K = 1,0). Verwende g = 9,81 m/s². Welcher Wasserspiegelunterschied Δz zwischen den Behältern ergibt einen Durchfluss von 75 L/s?

Q = 75 L/sL = 100 mD = 200 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 0,2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 60 L/sH = 34 m

In einem Versuch fördert eine Pumpe 60 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 34 m, während ihre Welle 25 kW aufnimmt. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Pumpenwirkungsgrad η in Prozent.

Q = 60 L/sH = 34 mPshaft = 25 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
150 kPa (Überdruck)PQ = 30 L/sΔz = 6 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0,015, ΣK = 8

Eine Pumpe fördert 30 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 6 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 100 m lang, hat einen Innendurchmesser von 150 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 8 (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 150 kPa. Bestimme die Förderhöhe H, die die Pumpe aufbringen muss.

Q = 30 L/sΔz = 6 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,015ΣK = 8ptank = 150 kPa
H = m

3Lösungen

1.Massenbilanz

Antwort: ṁ2 = 583,3 kg/h

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

Bilanzen

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

Nach ṁ2 auflösen

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 350·(50 − 25)/(25 − 10) = 583,3 kg/h

Antwort

ṁ2 = 583,3 kg/h
2.Massenbilanz

Antwort: P = 742,9 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 = 2600·10/35 = 742,9 kg/h

Antwort

P = 742,9 kg/h
3.Energiebilanz

Antwort: tout = 32,58 °C

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

Vom heißen Strom abgegebene Wärme

Q = 0,5·2,1·(140 − 70) = 73,5 kW

Vom Wasser aufgenommene Wärme

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 73,5/(1·4,18) = 32,58 °C

Antwort

tout = 32,58 °C
4.Energiebilanz

Antwort: ṁc = 4,27 kg/s

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

Abgegebene Wärme

Qh = 2,5·3,6·(130 − 60) = 630 kW

Wärme, die das Wasser erreicht

Qc = (1 − 0,15)·630 = 535,5 kW

Wasserstrom

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 535,5/(4,18·30) = 4,27 kg/s

Antwort

ṁc = 4,27 kg/s
5.Ideales Gasgesetz

Antwort: V = 105,1 L

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

Stoffmenge

n = 340/16,04 = 21,2 mol
T = 25 + 273,15 = 298,1 K

Volumen

V = nRT/P = 21,2·8,314·298,1/500 = 105,1 L

Antwort

V = 105,1 L
6.Ideales Gasgesetz

Antwort: V2 = 10,19 L

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

Absolute Temperaturen

T1 = 303,1 K, T2 = 353,1 K

Allgemeine Gasgleichung

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(350/200)·(353,1/303,1) = 10,19 L

Antwort

V2 = 10,19 L
7.Stöchiometrie

Antwort: m = 9,947 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(Mg) = 6/24,31 = 0,2468 mol
n(O2) = 64/32 = 2 mol

Limitierender Reaktant

0,2468/2 = 0,1234, 2/1 = 2 → Mg

Masse des Produkts

n(MgO) = 0,1234·2 = 0,2468 mol
m = 0,2468·40,3 = 9,947 g

Antwort

m = 9,947 g
8.Stöchiometrie

Antwort: Y = 91 %

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(Na) = 16/22,99 = 0,696 mol
m = 0,696·2/2·58,44 = 40,67 g

Prozentuale Ausbeute

Y = 37,01/40,67·100 = 91%

Antwort

Y = 91%
9.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [H2] = 0,05 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/(0,2 − x)²

Wurzel ziehen

6 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·6/(2 + 6) = 0,15 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[H₂] = 0,2 − x = 0,05 mol/L

Antwort

[H2] = 0,05 mol/L
10.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [Cl2] = 0,2 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

0,2 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,2·x − 0,08 = 0

Quadratische Gleichung lösen

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,08))/2 = 0,2 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[Cl₂] = x = 0,2 mol/L

Antwort

[Cl2] = 0,2 mol/L
11.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: Tf = 32,57 °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

200·0,897·(80 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 19)

Nach der Endtemperatur auflösen

Tf = (179,4·80 + 627·19)/(179,4 + 627) = 32,57 °C

Antwort

Tf = 32,57 °C
12.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: q = 2267 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° = [2·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [2·(−238,7) + 3·0] = −1453 kJ

Wärme für die gegebene Masse

n = 100/32,04 = 3,121 mol
q = n·|ΔH°/2| = 3,121·726,4 = 2267 kJ

Antwort

q = 2267 kJ
13.Reaktionskinetik

Antwort: t = 9 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).

Umgesetzte Menge

CA0·X = 1,2·0,3 = 0,36 mol/L

Zeit

t = CA0·X/k = 0,36/0,04 = 9 min

Antwort

t = 9 min
14.Reaktionskinetik

Antwort: Ea = 89,98 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 = 293,1 K, T2 = 303,1 K

Arrhenius nach Ea auflösen

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,218/(-1,125e-4) = 89983 J/mol
Ea = 89,98 kJ/mol

Antwort

Ea = 89,98 kJ/mol
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: V = 37,45 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))/0,4 = 2,996/0,4 = 7,489 min

Volumen

V = Q·τ = 5·7,489 = 37,45 L

Antwort

V = 37,45 L
16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: X = 80 %

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 = 1000/25 = 40 min, kτ = 0,1·40 = 4

Umsatz

X = kτ/(1 + kτ) = 4/(1 + 4) = 80%

Antwort

X = 80%
17.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: A = 6,926 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 − 85 = 85 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 80 − 25 = 55 K

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (85 − 55)/ln(85/55) = 68,92 K

Fläche

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 210000/(500·0,88·68,92) = 6,926 m²

Antwort

A = 6,926 m²
18.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: A = 17,46 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) = 2·2,5·30 = 150 kW
Tc,out = 25 + 150/(1,5·4,18) = 48,92 °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 = 95 − 48,92 = 46,08 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 25 = 40 K

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (46,08 − 40)/ln(46,08/40) = 42,97 K

Fläche

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 150000/(200·42,97) = 17,46 m²

Antwort

A = 17,46 m²
19.Wärmeleitung

Antwort: Ti = 14,47 °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.

Schichtwiderstände

R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(1,4·12) = 0,0119 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,17·12) = 0,07353 K/W

Wärmestrom

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 11/0,08543 = 128,8 W

Temperatur an der Grenzfläche

Über die erste Schicht fällt die Temperatur um Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 16 − 128,8·0,0119 = 14,47 °C

Antwort

Ti = 14,47 °C
20.Wärmeleitung

Antwort: Ts = 19,5 °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/(10·4) = 0,025 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,04·4) = 1,25 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,96·4) = 0,02604 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·4) = 0,008333 K/W
ΣR = 1,309 K/W

Wärmeverlust

Q̇ = (20 − (-6))/1,309 = 19,86 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 19,86·0,025 = 19,5 °C

Antwort

Ts = 19,5 °C
21.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Δp = 97,2 kPa

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.

Verlusthöhe

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(800/0,1)·0,9²/(2·9,81) = 9,908 m

Druckverlust

Das Rohr ist waagerecht und die Geschwindigkeit ändert sich nicht, daher reduziert sich die Energiegleichung auf Δp = ρ·g·hf.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·9,908 = 97200 Pa = 97,2 kPa

Antwort

Δp = 97,2 kPa
22.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Δz = 3,66 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 = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,02·100/0,2 = 10
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,6

Gesamte Verlusthöhe

hf = 10·0,2905 = 2,905 m
hm = 2,6·0,2905 = 0,7553 m
Δz = hf + hm = 3,66 m

Antwort

Δz = 3,66 m
23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: η = 80,05 %

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 = 1000·9,81·0,06·34 = 20,01 kW

Wirkungsgrad

η = Ph/Pshaft = 20,01/25 = 80,05%

Antwort

η = 80,05%
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: H = 23,93 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 = 0,03/0,01767 = 1,698 m/s
V²/(2g) = 0,1469 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (10 + 8)·0,1469 = 2,644 m

Druckhöhe

p/(ρ·g) = 150000/(1000·9,81) = 15,29 m

Förderhöhe

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

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 6 + 15,29 + 2,644 = 23,93 m

Antwort

H = 23,93 m

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