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 · 40% NaOHStrom 2ṁ₂ = ? · 10% NaOHProdukt20% NaOH

Wie viel von Strom 2 muss stündlich zu Strom 1 gegeben werden, damit das Gemisch 20 % NaOH enthält? Bestimme ṁ2.

ṁ1 = 450 kg/hx1 = 40 %x2 = 10 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.MassenbilanzSchwer
VerdampferZulauf F3400 kg/h · 19% SalzProdukt P30% SalzBrüden W (reines Wasser)W = ? kg/h

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

F = 3400 kg/hxF = 19 %xP = 30 %
W = kg/h
3.EnergiebilanzMittel
heiße Seitekalte SeiteEthanol · 180 °C100 °CWasser · 25 °Ct = ? °C

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

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 100 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.EnergiebilanzSchwer
heiße Seitekalte SeiteLeichtöl · 170 °C140 °CWasser · 10 °C80 °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 = 3 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 140 °Ct: 10 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Verlust = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ideales GasgesetzMittel
280 g ArV = 30 LT = 70 °CP = ?

Ein Behälter mit 30 L enthält 280 g Ar bei 70 °C. Behandle es als ideales Gas und bestimme den Druck P.

m = 280 gM = 39,95 g/molV = 30 LT = 70 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ideales GasgesetzSchwer
CO₂, M = 44,01 g/molP = 150 kPaT = 70 °Cρ = ?

Bestimme die Dichte ρ von CO₂ bei 150 kPa und 70 °C als ideales Gas.

M = 44,01 g/molP = 150 kPaT = 70 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StöchiometrieMittel
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

24 g Mg und 40 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(C3​H8​)n(C3​H8​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(C3​H8​)× 3/1× M(CO2​)

Bei der Reaktion C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O reagieren 12 g C3H8 vollständig (die übrigen Edukte im Überschuss), und es werden 28,02 g CO2 gewonnen. Bestimme die prozentuale Ausbeute Y.

M(C3H8) = 44,1 g/molM(CO2) = 44,01 g/moltatsächlich: 28,02 g
Y = %
9.Chemisches GleichgewichtMittel
H2​I2​HII0,80,80C−x−x+2xE0,8 − x0,8 − x2x

0,8 mol/L H₂ und 0,8 mol/L I₂ werden in einen Behälter gegeben und reagieren: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, mit Kc = 50. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 50
[H2] = mol/L
10.Chemisches GleichgewichtSchwer
PCl5​PCl3​Cl2​I1,500C−x+x+xE1,5 − xxx

PCl₅ zerfällt: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, mit Kc = 0,08 bei der Reaktionstemperatur. Ein Behälter enthält anfangs nur PCl₅ mit 1,5 mol/L. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [PCl5].

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LKc = 0,08
[PCl5] = mol/L
11.Kalorimetrie & EnthalpieMittel
Tf​ = ?Kupferm = 75 gT = 120 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Wasserm = 100 gT = 16 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Ein Block aus Kupfer mit 75 g (c = 0,385 J/(g·°C)) und einer Temperatur von 120 °C wird in einem isolierten Becher in 100 g Wasser (c = 4,18 J/(g·°C)) von 16 °C gelegt. Bestimme die Endtemperatur Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 120 °Cmwater = 100 gTwater = 16 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Kalorimetrie & EnthalpieSchwer
H2C2​H6​ + 7O₂Edukte4CO₂ + 6H₂O(l)ProdukteΔH° = ?

Bestimme mit den Standardbildungsenthalpien ΔH° für die Reaktion 2C2H6 + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C2H6) = −84,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
ΔH° = kJ
13.ReaktionskinetikMittel
t (min)X (%)t = ?40%

Eine Reaktion nullter Ordnung hat k = 0,01 mol/(L·min) und startet bei 2 mol/L. Wie lange dauert es bis zu einem Umsatz von 40 %? Bestimme t.

k = 0,01 mol/(L·min)CA0 = 2 mol/LX = 40 %
t = min
14.ReaktionskinetikSchwer
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))Versuch 10,10,002Versuch 20,40,004n = ?

Zwei Versuche messen die Anfangsgeschwindigkeit von A → Produkte. Mit CA0 = 0,1 mol/L beträgt die Geschwindigkeit 0,002 mol/(L·s); mit CA0 = 0,4 mol/L beträgt sie 0,004 mol/(L·s). Bestimme die Reaktionsordnung n bezüglich A.

CA0,1 = 0,1 mol/Lr1 = 0,002 mol/(L·s)CA0,2 = 0,4 mol/Lr2 = 0,004 mol/(L·s)
n =
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Mittel
Q = 20 L/minX = 85%V = ?, k = 0,15 min⁻¹

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung A → B mit k = 0,15 min⁻¹ wird in einem Strömungsrohr (PFR) mit einem Zulauf von 20 L/min durchgeführt. Die Dichte ist konstant, und der Reaktor ist im stationären Zustand. Bestimme das Reaktorvolumen V in Litern für 85 % Umsatz von A.

Q = 20 L/mink = 0,15 min⁻¹X = 85%
V = L
16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Schwer
V = 500 LV = 500 LQ = 25 L/minX = ?

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung (k = 0,08 min⁻¹) läuft in zwei gleichen Rührkesseln in Reihe mit je 500 L. Der Zulauf beträgt 25 L/min, die Dichte ist konstant, und die Reaktoren sind im stationären Zustand. Bestimme den Gesamtumsatz X in Prozent.

V = 500 L (×2)Q = 25 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
17.Wärmeübertrager (LMTD)Mittel
LängeT160 °C75 °C135 °C10 °CΔT₁ΔT₂Gegenstrom

Ein Rohrbündel-Wärmeübertrager (ein Mantelgang, zwei Rohrgänge) soll 360 kW übertragen. Das heiße Fluid kühlt von 160 auf 75 °C ab, das kalte Fluid erwärmt sich von 10 auf 135 °C. Der LMTD-Korrekturfaktor für diese Anordnung ist F = 0,88, und U = 1000 W/(m²·K). Bestimme die nötige Wärmeübertragungsfläche A.

Q̇ = 360 kWF = 0,88U = 1000 W/(m²·K)Th: 160 → 75 °CTc: 10 → 135 °C
A = m²
18.Wärmeübertrager (LMTD)Schwer
LängeT105 °C60 °C36,91 °C10 °CΔT₁ΔT₂Gegenstrom

Heißes Öl (1 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) kühlt in einem Gegenstrom-Wärmeübertrager von 105 auf 60 °C ab. Es erwärmt 1 kg/s Wasser (cp = 4,18 kJ/(kg·K)), das mit 10 °C eintritt. Bestimme mit U = 500 W/(m²·K) die nötige Wärmeübertragungsfläche A.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 105 → 60 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °CU = 500 W/(m²·K)
A = m²
19.WärmeleitungMittel
Beton, k = 1,4200 mmHolz, k = 0,1775 mm18 °C4 °CQ̇ = ?

Eine Wand besteht aus 200 mm Beton und 75 mm Holz, mit einer Fläche von 6 m². Die Außenflächen haben 18 °C und 4 °C. Bestimme den Wärmestrom Q̇ durch die Wand.

L1 = 200 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 18 °CT3 = 4 °C
Q̇ = W
20.WärmeleitungSchwer
Mineralwolle, k = 0,04150 mmGlas, k = 0,9675 mmRaum 21 °Caußen -15 °CQ̇ = ?

Eine Wand aus 150 mm Mineralwolle und 75 mm Glas trennt einen Raum mit 21 °C von der Außenluft mit -15 °C. Die Wärmeübergangskoeffizienten sind innen 10 W/(m²·K) und außen 20 W/(m²·K), und die Wandfläche beträgt 4 m². Bestimme den Wärmeverlust Q̇ durch die Wand.

L1 = 150 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 4 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -15 °C
Q̇ = W
21.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
Q = 4 L/sD = 75 mmL = 500 mf = 0,02

Wasser fließt mit 4 L/s durch ein 500 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 75 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,02 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

Q = 4 L/sL = 500 mD = 75 mmf = 0,02g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 10freier AuslaufH = ?L = 150 m, D = 250 mm, f = 0,0223× Krümmer (K = 0,3)

Ein 150 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 250 mm (Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,022) führt von einem offenen Behälter weg und tritt als freier Strahl ins Freie aus. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 3 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 150 L/s beträgt?

Q = 150 L/sL = 150 mD = 250 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 10
H = m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 150 L/sH = 26 m

In einem Versuch fördert eine Pumpe 150 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 26 m, während ihre Welle 58,9 kW aufnimmt. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Pumpenwirkungsgrad η in Prozent.

Q = 150 L/sH = 26 mPshaft = 58,9 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
250 kPa (Überdruck)PQ = 100 L/sΔz = 11 mL = 400 m, D = 250 mm, f = 0,015, ΣK = 6

Eine Pumpe fördert 100 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 11 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 400 m lang, hat einen Innendurchmesser von 250 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015; 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 250 kPa. Bestimme die Förderhöhe H, die die Pumpe aufbringen muss.

Q = 100 L/sΔz = 11 mL = 400 mD = 250 mmf = 0,015ΣK = 6ptank = 250 kPa
H = m

3Lösungen

1.Massenbilanz

Antwort: ṁ2 = 900 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) = 450·(40 − 20)/(20 − 10) = 900 kg/h

Antwort

ṁ2 = 900 kg/h
2.Massenbilanz

Antwort: W = 1247 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 = 3400·19/30 = 2153 kg/h

Gesamtbilanz

W = F − P = 3400 − 2153 = 1247 kg/h

Antwort

W = 1247 kg/h
3.Energiebilanz

Antwort: tout = 83,37 °C

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

Vom heißen Strom abgegebene Wärme

Q = 2,5·2,44·(180 − 100) = 488 kW

Vom Wasser aufgenommene Wärme

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 488/(2·4,18) = 83,37 °C

Antwort

tout = 83,37 °C
4.Energiebilanz

Antwort: ṁc = 0,5813 kg/s

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

Abgegebene Wärme

Qh = 3·2,1·(170 − 140) = 189 kW

Wärme, die das Wasser erreicht

Qc = (1 − 0,1)·189 = 170,1 kW

Wasserstrom

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 170,1/(4,18·70) = 0,5813 kg/s

Antwort

ṁc = 0,5813 kg/s
5.Ideales Gasgesetz

Antwort: P = 666,5 kPa

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

Stoffmenge

n = m/M = 280/39,95 = 7,009 mol
T = 70 + 273,15 = 343,1 K

Druck

P = nRT/V = 7,009·8,314·343,1/0,03 = 666,5 kPa

Antwort

P = 666,5 kPa
6.Ideales Gasgesetz

Antwort: ρ = 2,314 kg/m³

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

Gasgesetz umstellen

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 70 + 273,15 = 343,1 K

Dichte

ρ = 150·44,01/(8,314·343,1) = 2,314 kg/m³

Antwort

ρ = 2,314 kg/m³
7.Stöchiometrie

Antwort: m = 39,79 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) = 24/24,31 = 0,9872 mol
n(O2) = 40/32 = 1,25 mol

Limitierender Reaktant

0,9872/2 = 0,4936, 1,25/1 = 1,25 → Mg

Masse des Produkts

n(MgO) = 0,4936·2 = 0,9872 mol
m = 0,9872·40,3 = 39,79 g

Antwort

m = 39,79 g
8.Stöchiometrie

Antwort: Y = 77,99 %

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(C3H8) = 12/44,1 = 0,2721 mol
m = 0,2721·3/1·44,01 = 35,93 g

Prozentuale Ausbeute

Y = 28,02/35,93·100 = 77,99%

Antwort

Y = 77,99%
9.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [H2] = 0,1764 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

50 = (2x)²/(0,8 − x)²

Wurzel ziehen

7,071 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·7,071/(2 + 7,071) = 0,6236 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[H₂] = 0,8 − x = 0,1764 mol/L

Antwort

[H2] = 0,1764 mol/L
10.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [PCl5] = 1,191 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/(1,5 − x) → x² + 0,08·x − 0,12 = 0

Quadratische Gleichung lösen

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,12))/2 = 0,3087 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[PCl₅] = 1,5 − 0,3087 = 1,191 mol/L

Antwort

[PCl5] = 1,191 mol/L
11.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: Tf = 22,72 °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

75·0,385·(120 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 16)

Nach der Endtemperatur auflösen

Tf = (28,88·120 + 418·16)/(28,88 + 418) = 22,72 °C

Antwort

Tf = 22,72 °C
12.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: ΔH° = −3119 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° = [4·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [2·(−84,7) + 7·0] = −3119 kJ

Antwort

ΔH° = −3119 kJ

Negativ: Die Reaktion gibt Wärme ab (exotherm).

13.Reaktionskinetik

Antwort: t = 80 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 = 2·0,4 = 0,8 mol/L

Zeit

t = CA0·X/k = 0,8/0,01 = 80 min

Antwort

t = 80 min
14.Reaktionskinetik

Antwort: n = 0,5

Methode der Anfangsgeschwindigkeiten: Für r = k·Cⁿ fällt k heraus, wenn man zwei Versuche vergleicht, die sich nur in der Anfangskonzentration unterscheiden: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Eine Verdopplung von C verdoppelt die Geschwindigkeit bei erster Ordnung und vervierfacht sie bei zweiter Ordnung.

Verhältnisse

r2/r1 = 0,004/0,002 = 2
C2/C1 = 0,4/0,1 = 4

Ordnung

n = ln(2)/ln(4) = 0,5

Antwort

n = 0,5
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: V = 252,9 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 − 0,85))/0,15 = 1,897/0,15 = 12,65 min

Volumen

V = Q·τ = 20·12,65 = 252,9 L

Antwort

V = 252,9 L
16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: X = 85,21 %

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 = 500/25 = 20 min, kτ = 0,08·20 = 1,6

Umsatz

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 1,6) = 0,3846
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,1479
X = 1 − 0,1479 = 85,21%

Antwort

X = 85,21%
17.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: A = 9,772 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 = 160 − 135 = 25 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 75 − 10 = 65 K

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (25 − 65)/ln(25/65) = 41,86 K

Fläche

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 360000/(1000·0,88·41,86) = 9,772 m²

Antwort

A = 9,772 m²
18.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: A = 3,841 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) = 1·2,5·45 = 112,5 kW
Tc,out = 10 + 112,5/(1·4,18) = 36,91 °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 = 105 − 36,91 = 68,09 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 60 − 10 = 50 K

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (68,09 − 50)/ln(68,09/50) = 58,58 K

Fläche

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 112500/(500·58,58) = 3,841 m²

Antwort

A = 3,841 m²
19.Wärmeleitung

Antwort: Q̇ = 143,8 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) = (200/1000)/(1,4·6) = 0,02381 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·6) = 0,07353 K/W

Wärmestrom

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 14/0,09734 = 143,8 W

Antwort

Q̇ = 143,8 W
20.Wärmeleitung

Antwort: Q̇ = 36,2 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/(10·4) = 0,025 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,04·4) = 0,9375 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,96·4) = 0,01953 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·4) = 0,0125 K/W
ΣR = 0,9945 K/W

Wärmeverlust

Q̇ = (21 − (-15))/0,9945 = 36,2 W

Antwort

Q̇ = 36,2 W
21.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 5,571 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.

Mittlere Geschwindigkeit

A = π·0,075²/4 = 0,004418 m²
V = Q/A = 0,004/0,004418 = 0,9054 m/s

Geschwindigkeitshöhe

V²/(2g) = 0,9054²/(2·9,81) = 0,04178 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(500/0,075)·0,9054²/(2·9,81) = 5,571 m

Antwort

hf = 5,571 m
22.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: H = 12,18 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 = 0,15/0,04909 = 3,056 m/s
V²/(2g) = 0,4759 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,022·150/0,25 = 13,2
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 = 11,4

Energiegleichung

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

H = (1 + 13,2 + 11,4)·0,4759 = 12,18 m

Antwort

H = 12,18 m
23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: η = 64,96 %

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 = 1000·9,81·0,15·26 = 38,26 kW

Wirkungsgrad

η = Ph/Pshaft = 38,26/58,9 = 64,96%

Antwort

η = 64,96%
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: H = 42,83 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 = 0,1/0,04909 = 2,037 m/s
V²/(2g) = 0,2115 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (24 + 6)·0,2115 = 6,346 m

Druckhöhe

p/(ρ·g) = 250000/(1000·9,81) = 25,48 m

Förderhöhe

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

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 11 + 25,48 + 6,346 = 42,83 m

Antwort

H = 42,83 m

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