Übungsaufgaben für die Prüfung FE Chemical: Lernpaket

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

Neue AufgabenZurück zum Kurs

Wähle im Druckfenster „Als PDF speichern“, um eine Kopie auf deinem Gerät zu behalten.

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 · 15% NaOHStrom 2ṁ₂ = ? · 45% NaOHProdukt25% NaOH

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

ṁ1 = 350 kg/hx1 = 15 %x2 = 45 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.MassenbilanzSchwer
VerdampferZulauf F2300 kg/h · 8% ZuckerProdukt P55% ZuckerBrüden W (reines Wasser)W = ? kg/h

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

F = 2300 kg/hxF = 8 %xP = 55 %
W = kg/h
3.EnergiebilanzMittel
heiße Seitekalte SeiteEthanol · 140 °C80 °CWasser · 30 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 80 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.EnergiebilanzSchwer
heiße Seitekalte SeiteLeichtöl · 170 °C80 °CWasser · 10 °C75 °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 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 80 °Ct: 10 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Verlust = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ideales GasgesetzMittel
290 g CH₄V = 50 LT = 75 °CP = ?

Ein Behälter mit 50 L enthält 290 g CH₄ bei 75 °C. Behandle es als ideales Gas und bestimme den Druck P.

m = 290 gM = 16,04 g/molV = 50 LT = 75 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ideales GasgesetzSchwer
Zustand 1Zustand 2

Eine feste Menge CH₄ geht von 300 kPa, 10 L, 20 °C über zu 150 kPa und 60 °C. Bestimme das neue Volumen V2.

P1 = 300 kPaV1 = 10 LT1 = 20 °CP2 = 150 kPaT2 = 60 °C
V2 = L
7.StöchiometrieMittel
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

6 g Mg und 32 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(CH4​)n(CH4​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(CH4​)× 2/1× M(H2​O)

Bei der Reaktion CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O reagieren 20 g CH4 vollständig (die übrigen Edukte im Überschuss), und es werden 40,89 g H2O gewonnen. Bestimme die prozentuale Ausbeute Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(H2O) = 18,02 g/moltatsächlich: 40,89 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 = 16. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 16
[H2] = 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 [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,08
[PCl5] = mol/L
11.Kalorimetrie & EnthalpieMittel
Tf​ = ?Aluminiumm = 50 gT = 100 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Wasserm = 400 gT = 15 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Ein Block aus Aluminium mit 50 g (c = 0,897 J/(g·°C)) und einer Temperatur von 100 °C wird in einem isolierten Becher in 400 g Wasser (c = 4,18 J/(g·°C)) von 15 °C gelegt. Bestimme die Endtemperatur Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 100 °Cmwater = 400 gTwater = 15 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Kalorimetrie & EnthalpieSchwer
HC2​H5​OH + 3O₂Edukte2CO₂ + 3H₂O(l)ProdukteΔH° = ?

Bestimme mit den Standardbildungsenthalpien ΔH° für die Reaktion C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l).

ΔH°f(C2H5OH) = −277,7 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 = ?90%

Eine Reaktion nullter Ordnung hat k = 0,04 mol/(L·min) und startet bei 2 mol/L. Wie lange dauert es bis zu einem Umsatz von 90 %? Bestimme t.

k = 0,04 mol/(L·min)CA0 = 2 mol/LX = 90 %
t = min
14.ReaktionskinetikSchwer
Tk25 °Ck1​?3·k1​

Eine Reaktion hat eine Aktivierungsenergie von 70 kJ/mol. Bei 25 °C ist sie zu langsam. Auf welche Temperatur T2 (in °C) muss man sie erwärmen, damit sie 3-mal schneller abläuft?

Ea = 70 kJ/molT1 = 25 °Ck2/k1 = 3R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Mittel
Q = 80 L/minX = 95%V = ?, k = 0,05 min⁻¹

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung A → B mit k = 0,05 min⁻¹ wird in einem Strömungsrohr (PFR) mit einem Zulauf von 80 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 = 80 L/mink = 0,05 min⁻¹X = 95%
V = L
16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Schwer
V = 50 LQ = 10 L/minX = ?

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung (k = 0,1 min⁻¹) läuft in einem Rührkessel (CSTR) mit 50 L und einem Zulauf von 10 L/min. Die Dichte ist konstant, und der Reaktor ist im stationären Zustand. Bestimme den Umsatz X in Prozent.

V = 50 LQ = 10 L/mink = 0,1 min⁻¹
X = %
17.Wärmeübertrager (LMTD)Mittel
LängeT160 °C80 °C80 °C30 °CΔT₁ΔT₂Gegenstrom

Ein Gegenstrom-Wärmeübertrager überträgt 280 kW. Das heiße Fluid kühlt von 160 auf 80 °C ab, und das kalte Fluid erwärmt sich von 30 auf 80 °C. Der Wärmedurchgangskoeffizient beträgt 1500 W/(m²·K). Bestimme die nötige Wärmeübertragungsfläche A.

Q̇ = 280 kWU = 1500 W/(m²·K)Th: 160 → 80 °CTc: 30 → 80 °C
A = m²
18.Wärmeübertrager (LMTD)Schwer
LängeT90 °C70 °C47,01 °C25 °CΔT₁ΔT₂Gegenstrom

Heißes Öl (1 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) kühlt in einem Gegenstrom-Wärmeübertrager von 90 auf 70 °C ab. Es erwärmt 0,5 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 = 1 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 90 → 70 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²
19.WärmeleitungMittel
Ziegel, k = 0,72200 mmBeton, k = 1,4100 mm15 °C-5 °CQ̇ = ?

Eine Wand besteht aus 200 mm Ziegel und 100 mm Beton, mit einer Fläche von 15 m². Die Außenflächen haben 15 °C und -5 °C. Bestimme den Wärmestrom Q̇ durch die Wand.

L1 = 200 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 15 °CT3 = -5 °C
Q̇ = W
20.WärmeleitungSchwer
Glas, k = 0,96100 mmBeton, k = 1,425 mmRaum 20 °Caußen -1 °CQ̇

Eine Wand aus 100 mm Glas und 25 mm Beton trennt einen Raum mit 20 °C von der Außenluft mit -1 °C. Die Wärmeübergangskoeffizienten sind innen 10 W/(m²·K) und außen 20 W/(m²·K), und die Wandfläche beträgt 8 m². Bestimme den Wärmedurchgangskoeffizienten U der Wand.

L1 = 100 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 8 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -1 °C
U = W/(m²·K)
21.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 2,7 m/sD = 300 mmL = 300 mf = 0,018

Wasser (ρ = 1000 kg/m³) fließt mit 2,7 m/s durch ein waagerechtes, 300 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018 und g = 9,81 m/s². Bestimme den Druckverlust Δp über das Rohr in kPa.

V = 2,7 m/sL = 300 mD = 300 mmf = 0,018ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 10Δz = ?L = 150 m, D = 150 mm, f = 0,0252× Krümmer (K = 0,3)

Zwei offene Behälter sind durch ein 150 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 150 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,025 verbunden. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 2 Krümmer (je K = 0,3), ein Ventil (K = 10) 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 50 L/s?

Q = 50 L/sL = 150 mD = 150 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 15 L/sH = 48 m

Eine Pumpe fördert 15 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 48 m. Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 75 %, und der antreibende Elektromotor hat einen Wirkungsgrad von 94 %. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die elektrische Leistung Pel, die der Motor aufnimmt, in kW.

Q = 15 L/sH = 48 mηpump = 75%ηmotor = 94%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
200 kPa (Überdruck)PQ = 25 L/sΔz = 7 mL = 200 m, D = 150 mm, f = 0,015, ΣK = 5

Eine Pumpe fördert 25 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 7 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 200 m lang, hat einen Innendurchmesser von 150 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 5 (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 = 25 L/sΔz = 7 mL = 200 mD = 150 mmf = 0,015ΣK = 5ptank = 200 kPa
H = m

3Lösungen

1.Massenbilanz

Antwort: ṁ2 = 175 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) = 350·(15 − 25)/(25 − 45) = 175 kg/h

Antwort

ṁ2 = 175 kg/h
2.Massenbilanz

Antwort: W = 1965 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 = 2300·8/55 = 334,5 kg/h

Gesamtbilanz

W = F − P = 2300 − 334,5 = 1965 kg/h

Antwort

W = 1965 kg/h
3.Energiebilanz

Antwort: tout = 47,51 °C

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

Vom heißen Strom abgegebene Wärme

Q = 1·2,44·(140 − 80) = 146,4 kW

Vom Wasser aufgenommene Wärme

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 146,4/(2·4,18) = 47,51 °C

Antwort

tout = 47,51 °C
4.Energiebilanz

Antwort: ṁc = 1,252 kg/s

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

Abgegebene Wärme

Qh = 2·2,1·(170 − 80) = 378 kW

Wärme, die das Wasser erreicht

Qc = (1 − 0,1)·378 = 340,2 kW

Wasserstrom

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 340,2/(4,18·65) = 1,252 kg/s

Antwort

ṁc = 1,252 kg/s
5.Ideales Gasgesetz

Antwort: P = 1047 kPa

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

Stoffmenge

n = m/M = 290/16,04 = 18,08 mol
T = 75 + 273,15 = 348,1 K

Druck

P = nRT/V = 18,08·8,314·348,1/0,05 = 1047 kPa

Antwort

P = 1047 kPa
6.Ideales Gasgesetz

Antwort: V2 = 22,73 L

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

Absolute Temperaturen

T1 = 293,1 K, T2 = 333,1 K

Allgemeine Gasgleichung

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(300/150)·(333,1/293,1) = 22,73 L

Antwort

V2 = 22,73 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) = 32/32 = 1 mol

Limitierender Reaktant

0,2468/2 = 0,1234, 1/1 = 1 → 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 = 90,99 %

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(CH4) = 20/16,04 = 1,247 mol
m = 1,247·2/1·18,02 = 44,94 g

Prozentuale Ausbeute

Y = 40,89/44,94·100 = 90,99%

Antwort

Y = 90,99%
9.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [H2] = 0,06667 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

16 = (2x)²/(0,2 − x)²

Wurzel ziehen

4 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·4/(2 + 4) = 0,1333 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[H₂] = 0,2 − x = 0,06667 mol/L

Antwort

[H2] = 0,06667 mol/L
10.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [PCl5] = 0,336 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

[PCl₅] = 0,5 − 0,164 = 0,336 mol/L

Antwort

[PCl5] = 0,336 mol/L
11.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: Tf = 17,22 °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

50·0,897·(100 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 15)

Nach der Endtemperatur auflösen

Tf = (44,85·100 + 1672·15)/(44,85 + 1672) = 17,22 °C

Antwort

Tf = 17,22 °C
12.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: ΔH° = −1367 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

Antwort

ΔH° = −1367 kJ

Negativ: Die Reaktion gibt Wärme ab (exotherm).

13.Reaktionskinetik

Antwort: t = 45 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 = 2·0,9 = 1,8 mol/L

Zeit

t = CA0·X/k = 1,8/0,04 = 45 min

Antwort

t = 45 min
14.Reaktionskinetik

Antwort: T2 = 37,07 °C

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

T1 = 298,1 K

Arrhenius nach T₂ auflösen

1/T2 = 1/298,1 − 8,314·ln(3)/70000 = 3,354 × 10⁻³ − 1,305 × 10⁻⁴ = 3,224 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 310,2 K = 37,07 °C

Antwort

T2 = 37,07 °C
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: V = 4793 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))/0,05 = 2,996/0,05 = 59,91 min

Volumen

V = Q·τ = 80·59,91 = 4793 L

Antwort

V = 4793 L
16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: X = 33,33 %

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 = 50/10 = 5 min, kτ = 0,1·5 = 0,5

Umsatz

X = kτ/(1 + kτ) = 0,5/(1 + 0,5) = 33,33%

Antwort

X = 33,33%
17.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: A = 2,924 m²

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

Temperaturdifferenzen an den Enden

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 160 − 80 = 80 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 80 − 30 = 50 K

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (80 − 50)/ln(80/50) = 63,83 K

Fläche

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 280000/(1500·63,83) = 2,924 m²

Antwort

A = 2,924 m²
18.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: A = 5,229 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) = 1·2,3·20 = 46 kW
Tc,out = 25 + 46/(0,5·4,18) = 47,01 °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 = 90 − 47,01 = 42,99 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 70 − 25 = 45 K

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (42,99 − 45)/ln(42,99/45) = 43,99 K

Fläche

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 46000/(200·43,99) = 5,229 m²

Antwort

A = 5,229 m²
19.Wärmeleitung

Antwort: Q̇ = 859,1 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)/(0,72·15) = 0,01852 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(1,4·15) = 0,004762 K/W

Wärmestrom

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 20/0,02328 = 859,1 W

Antwort

Q̇ = 859,1 W
20.Wärmeleitung

Antwort: U = 3,676 W/(m²·K)

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/(10·8) = 0,0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,96·8) = 0,01302 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(1,4·8) = 0,002232 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·8) = 0,00625 K/W
ΣR = 0,034 K/W

Wärmedurchgangskoeffizient

U = 1/(A·ΣR) = 1/(8·0,034) = 3,676 W/(m²·K)

Antwort

U = 3,676 W/(m²·K)
21.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Δp = 65,61 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) = 0,018·(300/0,3)·2,7²/(2·9,81) = 6,688 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 = 1000·9,81·6,688 = 65610 Pa = 65,61 kPa

Antwort

Δp = 65,61 kPa
22.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Δz = 15,14 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 = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,025·150/0,15 = 25
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 + 1,0 = 12,1

Gesamte Verlusthöhe

hf = 25·0,408 = 10,2 m
hm = 12,1·0,408 = 4,937 m
Δz = hf + hm = 15,14 m

Antwort

Δz = 15,14 m
23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pel = 10,02 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 = 1000·9,81·0,015·48 = 7,063 kW

Wellenleistung

Pshaft = 7,063/0,75 = 9,418 kW

Elektrische Leistung

Pel = 9,418/0,94 = 10,02 kW

Antwort

Pel = 10,02 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: H = 29,94 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 = 0,025/0,01767 = 1,415 m/s
V²/(2g) = 0,102 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (20 + 5)·0,102 = 2,55 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 = 7 + 20,39 + 2,55 = 29,94 m

Antwort

H = 29,94 m

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-chemical