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 1450 kg/h · 10% ZuckerStrom 2ṁ₂ = ? · 50% ZuckerProdukt45% Zucker

Wie viel von Strom 2 muss stündlich zu Strom 1 gegeben werden, damit das Gemisch 45 % Zucker enthält? Bestimme ṁ2.

ṁ1 = 450 kg/hx1 = 10 %x2 = 50 %x3 = 45 %
ṁ2 = kg/h
2.MassenbilanzSchwer
VerdampferZulauf F3200 kg/h · 13% 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 = 3200 kg/hxF = 13 %xP = 35 %
P = kg/h
3.EnergiebilanzMittel
heiße Seitekalte SeiteLeichtöl · 120 °C70 °CWasser · 15 °Ct = ? °C

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

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.EnergiebilanzSchwer
heiße Seitekalte SeiteEthanol · 150 °C90 °CWasser · 30 °C80 °C · ṁ = ?15 % Verlust

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

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 150 → 90 °Ct: 30 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Verlust = 15 %
ṁc = kg/s
5.Ideales GasgesetzMittel
210 g ArV = 30 LT = 45 °CP = ?

Ein Behälter mit 30 L enthält 210 g Ar bei 45 °C. Behandle es als ideales Gas und bestimme den Druck P.

m = 210 gM = 39,95 g/molV = 30 LT = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ideales GasgesetzSchwer
Zustand 1Zustand 2

Eine feste Menge CH₄ geht von 250 kPa, 20 L, 25 °C über zu 500 kPa und 150 °C. Bestimme das neue Volumen V2.

P1 = 250 kPaV1 = 20 LT1 = 25 °CP2 = 500 kPaT2 = 150 °C
V2 = L
7.StöchiometrieMittel
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

16 g Na und 10 g Cl2 reagieren nach 2Na + Cl2 → 2NaCl. Welche Masse m an NaCl kann entstehen?

M(Na) = 22,99M(Cl2) = 70,9M(NaCl) = 58,44 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 4 g Al vollständig (die übrigen Edukte im Überschuss), und es werden 18,58 g AlCl3 gewonnen. Bestimme die prozentuale Ausbeute Y.

M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl3) = 133,33 g/moltatsächlich: 18,58 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 [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 36
[HI] = mol/L
10.Chemisches GleichgewichtSchwer
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

PCl₅ zerfällt: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, mit Kc = 0,08 bei der Reaktionstemperatur. Ein Behälter enthält anfangs nur PCl₅ mit 0,5 mol/L. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,08
[Cl2] = mol/L
11.Kalorimetrie & EnthalpieMittel
Tf​ = ?Aluminiumm = 250 gT = 110 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Wasserm = 400 gT = 23 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Ein Block aus Aluminium mit 250 g (c = 0,897 J/(g·°C)) und einer Temperatur von 110 °C wird in einem isolierten Becher in 400 g Wasser (c = 4,18 J/(g·°C)) von 23 °C gelegt. Bestimme die Endtemperatur Tf.

mmetal = 250 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 110 °Cmwater = 400 gTwater = 23 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Kalorimetrie & EnthalpieSchwer
H100 g C2​H5​OHC2​H5​OH + 3O₂Edukte2CO₂ + 3H₂O(l)Produkteq = ?

Bestimme mit den Standardbildungsenthalpien die Wärme q, die frei wird, wenn 100 g C2H5OH (M = 46,07 g/mol) vollständig verbrennen: C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l). Gib q als positive Zahl an.

ΔH°f(C2H5OH) = −277,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
q = kJ
13.ReaktionskinetikMittel
t (min)C (mol/L)20 min1,2

Bei einer Reaktion erster Ordnung fällt die Konzentration von A in 20 min von 1,5 mol/L auf 1,2 mol/L. Bestimme die Geschwindigkeitskonstante k.

CA0 = 1,5 mol/LCA = 1,2 mol/Lt = 20 min
k = min⁻¹
14.ReaktionskinetikSchwer
Tk35 °C0,0565 °C0,336

Die Geschwindigkeitskonstante einer Reaktion beträgt 0,05 min⁻¹ bei 35 °C und 0,336 min⁻¹ bei 65 °C. Bestimme die Aktivierungsenergie Ea.

k1 = 0,05 min⁻¹T1 = 35 °Ck2 = 0,336 min⁻¹T2 = 65 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Mittel
Q = 5 L/minCA0​ = 1,5 mol/LCA​ = ?V = 250 L, k = 0,08 min⁻¹

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung A → B (k = 0,08 min⁻¹) läuft in einem idealen Strömungsrohr (PFR) mit 250 L. Der Zulauf tritt mit 5 L/min und CA0 = 1,5 mol/L ein. Die Dichte ist konstant, und der Reaktor ist im stationären Zustand. Bestimme die Austrittskonzentration CA.

V = 250 LQ = 5 L/mink = 0,08 min⁻¹CA0 = 1,5 mol/L
CA = mol/L
16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Schwer
V = 100 LQ = 5 L/minX = ?

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung (k = 0,05 min⁻¹) läuft in einem Rührkessel (CSTR) mit 100 L und einem Zulauf von 5 L/min. Die Dichte ist konstant, und der Reaktor ist im stationären Zustand. Bestimme den Umsatz X in Prozent.

V = 100 LQ = 5 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
17.Wärmeübertrager (LMTD)Mittel
LängeT80 °C55 °C60 °C20 °CΔT₁ΔT₂Gegenstrom

Ein Rohrbündel-Wärmeübertrager (ein Mantelgang, zwei Rohrgänge) soll 300 kW übertragen. Das heiße Fluid kühlt von 80 auf 55 °C ab, das kalte Fluid erwärmt sich von 20 auf 60 °C. Der LMTD-Korrekturfaktor für diese Anordnung ist F = 0,85, und U = 1000 W/(m²·K). Bestimme die nötige Wärmeübertragungsfläche A.

Q̇ = 300 kWF = 0,85U = 1000 W/(m²·K)Th: 80 → 55 °CTc: 20 → 60 °C
A = m²
18.Wärmeübertrager (LMTD)Schwer
LängeT125 °C50 °C?20 °CΔT₁ΔT₂Gegenstrom

In einem Doppelrohr-Wärmeübertrager im Gegenstrom strömt heißes Öl (0,3 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) im Innenrohr und kühlt von 125 auf 50 °C ab. Wasser (0,8 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) tritt im Ringspalt mit 20 °C ein. Das Innenrohr hat 25 mm Durchmesser, und U = 250 W/(m²·K) ist auf diesen Durchmesser bezogen. Bestimme die nötige Rohrlänge L.

ṁh = 0,3 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 125 → 50 °Cṁc = 0,8 kg/sTc,in = 20 °CD = 25 mmU = 250 W/(m²·K)
L = m
19.WärmeleitungMittel
Holz, k = 0,17150 mmGlas, k = 0,9625 mm20 °C0 °CQ̇ = ?

Eine Wand besteht aus 150 mm Holz und 25 mm Glas, mit einer Fläche von 20 m². Die Außenflächen haben 20 °C und 0 °C. Bestimme den Wärmestrom Q̇ durch die Wand.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 20 °CT3 = 0 °C
Q̇ = W
20.WärmeleitungSchwer
Holz, k = 0,17100 mmZiegel, k = 0,72100 mmRaum 21 °Caußen -2 °CQ̇ = ?

Eine Wand aus 100 mm Holz und 100 mm Ziegel 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 15 m². Bestimme den Wärmeverlust Q̇ durch die Wand.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 15 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -2 °C
Q̇ = W
21.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 0,9 m/sD = 150 mmL = 200 mf = 0,022

Wasser fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 0,9 m/s durch ein 200 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 150 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,022 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

V = 0,9 m/sL = 200 mD = 150 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 5Δz = ?L = 150 m, D = 200 mm, f = 0,0154× Krümmer (K = 0,3)

Zwei offene Behälter sind durch ein 150 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 200 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015 verbunden. 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. Welcher Wasserspiegelunterschied Δz zwischen den Behältern ergibt einen Durchfluss von 40 L/s?

Q = 40 L/sL = 150 mD = 200 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 10 L/sH = 42 m

Eine Pumpe mit einem Wirkungsgrad von 78 % fördert 10 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 42 m. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die benötigte Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 10 L/sH = 42 mη = 78%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
200 kPa (Überdruck)PQ = 50 L/sΔz = 14 mL = 300 m, D = 150 mm, f = 0,025, ΣK = 6

Eine Pumpe fördert 50 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 14 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 300 m lang, hat einen Innendurchmesser von 150 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,025; 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 200 kPa. Bestimme die Förderhöhe H, die die Pumpe aufbringen muss.

Q = 50 L/sΔz = 14 mL = 300 mD = 150 mmf = 0,025ΣK = 6ptank = 200 kPa
H = m

3Lösungen

1.Massenbilanz

Antwort: ṁ2 = 3150 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) = 450·(10 − 45)/(45 − 50) = 3150 kg/h

Antwort

ṁ2 = 3150 kg/h
2.Massenbilanz

Antwort: P = 1189 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 = 3200·13/35 = 1189 kg/h

Antwort

P = 1189 kg/h
3.Energiebilanz

Antwort: tout = 46,4 °C

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

Vom heißen Strom abgegebene Wärme

Q = 2,5·2,1·(120 − 70) = 262,5 kW

Vom Wasser aufgenommene Wärme

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 262,5/(2·4,18) = 46,4 °C

Antwort

tout = 46,4 °C
4.Energiebilanz

Antwort: ṁc = 1,191 kg/s

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

Abgegebene Wärme

Qh = 2·2,44·(150 − 90) = 292,8 kW

Wärme, die das Wasser erreicht

Qc = (1 − 0,15)·292,8 = 248,9 kW

Wasserstrom

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 248,9/(4,18·50) = 1,191 kg/s

Antwort

ṁc = 1,191 kg/s
5.Ideales Gasgesetz

Antwort: P = 463,5 kPa

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

Stoffmenge

n = m/M = 210/39,95 = 5,257 mol
T = 45 + 273,15 = 318,1 K

Druck

P = nRT/V = 5,257·8,314·318,1/0,03 = 463,5 kPa

Antwort

P = 463,5 kPa
6.Ideales Gasgesetz

Antwort: V2 = 14,19 L

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

Absolute Temperaturen

T1 = 298,1 K, T2 = 423,1 K

Allgemeine Gasgleichung

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(250/500)·(423,1/298,1) = 14,19 L

Antwort

V2 = 14,19 L
7.Stöchiometrie

Antwort: m = 16,49 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(Na) = 16/22,99 = 0,696 mol
n(Cl2) = 10/70,9 = 0,141 mol

Limitierender Reaktant

0,696/2 = 0,348, 0,141/1 = 0,141 → Cl2

Masse des Produkts

n(NaCl) = 0,141·2 = 0,2821 mol
m = 0,2821·58,44 = 16,49 g

Antwort

m = 16,49 g
8.Stöchiometrie

Antwort: Y = 93,99 %

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) = 4/26,98 = 0,1483 mol
m = 0,1483·2/2·133,33 = 19,77 g

Prozentuale Ausbeute

Y = 18,58/19,77·100 = 93,99%

Antwort

Y = 93,99%
9.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [HI] = 0,3 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

[HI] = 2x = 0,3 mol/L

Antwort

[HI] = 0,3 mol/L
10.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [Cl2] = 0,164 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

0,08 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,08·x − 0,04 = 0

Quadratische Gleichung lösen

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,04))/2 = 0,164 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[Cl₂] = x = 0,164 mol/L

Antwort

[Cl2] = 0,164 mol/L
11.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: Tf = 33,29 °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

250·0,897·(110 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 23)

Nach der Endtemperatur auflösen

Tf = (224,3·110 + 1672·23)/(224,3 + 1672) = 33,29 °C

Antwort

Tf = 33,29 °C
12.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: q = 2967 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) + 3·(−285,8)] − [1·(−277,7) + 3·0] = −1367 kJ

Wärme für die gegebene Masse

n = 100/46,07 = 2,171 mol
q = n·|ΔH°/1| = 2,171·1367 = 2967 kJ

Antwort

q = 2967 kJ
13.Reaktionskinetik

Antwort: k = 0,01116 min⁻¹

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 erster Ordnung

k = ln(CA0/CA)/t = ln(1,5/1,2)/20 = 0,2231/20 = 0,01116 min⁻¹

Antwort

k = 0,01116 min⁻¹
14.Reaktionskinetik

Antwort: Ea = 55,01 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 = 338,1 K

Arrhenius nach Ea auflösen

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,905/(-2,879e-4) = 55014 J/mol
Ea = 55,01 kJ/mol

Antwort

Ea = 55,01 kJ/mol
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: CA = 0,02747 mol/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 = V/Q = 250/5 = 50 min

Austrittskonzentration

CA = 1,5·e−0,08·50 = 0,02747 mol/L

Antwort

CA = 0,02747 mol/L

Umsatz: X = 98,17%.

16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: X = 50 %

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 = 100/5 = 20 min, kτ = 0,05·20 = 1

Umsatz

X = kτ/(1 + kτ) = 1/(1 + 1) = 50%

Antwort

X = 50%
17.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: A = 13,17 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 = 80 − 60 = 20 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 55 − 20 = 35 K

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (20 − 35)/ln(20/35) = 26,8 K

Fläche

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 300000/(1000·0,85·26,8) = 13,17 m²

Antwort

A = 13,17 m²
18.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: L = 43,81 m

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.

Wärmeleistung und Austrittstemperatur des Wassers

Q̇ = 0,3·2,1·(125 − 50) = 47,25 kW
Tc,out = 20 + 47,25/(0,8·4,18) = 34,13 °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 = 125 − 34,13 = 90,87 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 50 − 20 = 30 K

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (90,87 − 30)/ln(90,87/30) = 54,93 K

Fläche und Länge

A = 47250/(250·54,93) = 3,441 m²
L = A/(πD) = 3,441/(π·0,025) = 43,81 m

Antwort

L = 43,81 m
19.Wärmeleitung

Antwort: Q̇ = 440,3 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) = (150/1000)/(0,17·20) = 0,04412 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,96·20) = 0,001302 K/W

Wärmestrom

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 20/0,04542 = 440,3 W

Antwort

Q̇ = 440,3 W
20.Wärmeleitung

Antwort: Q̇ = 386,7 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/(8·15) = 0,008333 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,17·15) = 0,03922 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,72·15) = 0,009259 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·15) = 0,002667 K/W
ΣR = 0,05947 K/W

Wärmeverlust

Q̇ = (21 − (-2))/0,05947 = 386,7 W

Antwort

Q̇ = 386,7 W
21.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 1,211 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) = 0,9²/(2·9,81) = 0,04128 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(200/0,15)·0,9²/(2·9,81) = 1,211 m

Antwort

hf = 1,211 m
22.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Δz = 1,566 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 = 0,04/0,03142 = 1,273 m/s
V²/(2g) = 0,08263 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,015·150/0,2 = 11,25
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 + 1,0 = 7,7

Gesamte Verlusthöhe

hf = 11,25·0,08263 = 0,9296 m
hm = 7,7·0,08263 = 0,6362 m
Δz = hf + hm = 1,566 m

Antwort

Δz = 1,566 m
23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 5,282 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 = 1000·9,81·0,01·42 = 4,12 kW

Wellenleistung

Pshaft = Ph/η = 4,12/0,78 = 5,282 kW

Antwort

Pshaft = 5,282 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: H = 57,24 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 = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (50 + 6)·0,408 = 22,85 m

Druckhöhe

p/(ρ·g) = 200000/(1000·9,81) = 20,39 m

Förderhöhe

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

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 14 + 20,39 + 22,85 = 57,24 m

Antwort

H = 57,24 m

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