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 1600 kg/h · 40% SalzStrom 2ṁ₂ = ? · 10% SalzProdukt30% Salz

Wie viel von Strom 2 muss stündlich zu Strom 1 gegeben werden, damit das Gemisch 30 % Salz enthält? Bestimme ṁ2.

ṁ1 = 600 kg/hx1 = 40 %x2 = 10 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.MassenbilanzSchwer
VerdampferZulauf F2000 kg/h · 19% ZuckerProdukt PP = ? · 30%Brüden W (reines Wasser)0% Zucker

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

F = 2000 kg/hxF = 19 %xP = 30 %
P = kg/h
3.EnergiebilanzMittel
heiße Seitekalte SeiteGlykolgemisch · 150 °C120 °CWasser · 10 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 120 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.EnergiebilanzSchwer
heiße Seitekalte SeiteEthanol · 140 °C80 °CWasser · 30 °C65 °C · ṁ = ?5 % Verlust

Heißes Ethanol erwärmt Wasser in einem Wärmeübertrager, der 5 % der vom heißen Strom abgegebenen Wärme an die Umgebung verliert. Bestimme den nötigen Wasserstrom ṁc.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 80 °Ct: 30 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Verlust = 5 %
ṁc = kg/s
5.Ideales GasgesetzMittel
50 g O₂V = 10 LT = 40 °CP = ?

Ein Behälter mit 10 L enthält 50 g O₂ bei 40 °C. Behandle es als ideales Gas und bestimme den Druck P.

m = 50 gM = 32 g/molV = 10 LT = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ideales GasgesetzSchwer
He, M = 4,003 g/molP = 400 kPaT = 190 °Cρ = ?

Bestimme die Dichte ρ von He bei 400 kPa und 190 °C als ideales Gas.

M = 4,003 g/molP = 400 kPaT = 190 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StöchiometrieMittel
m(X)n(X)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(X)× 2/ν× M(AlCl3​)

30 g Al und 8 g Cl2 reagieren nach 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3. Welche Masse m an AlCl3 kann entstehen?

M(Al) = 26,98M(Cl2) = 70,9M(AlCl3) = 133,33 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 4 g Na vollständig (die übrigen Edukte im Überschuss), und es werden 8,95 g NaCl gewonnen. Bestimme die prozentuale Ausbeute Y.

M(Na) = 22,99 g/molM(NaCl) = 58,44 g/moltatsächlich: 8,95 g
Y = %
9.Chemisches GleichgewichtMittel
H2​I2​HII0,10,10C−x−x+2xE0,1 − x0,1 − x2x

0,1 mol/L H₂ und 0,1 mol/L I₂ werden in einen Behälter gegeben und reagieren: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, mit Kc = 36. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 36
[HI] = mol/L
10.Chemisches GleichgewichtSchwer
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

PCl₅ zerfällt: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, mit Kc = 0,01 bei der Reaktionstemperatur. Ein Behälter enthält anfangs nur PCl₅ mit 0,8 mol/L. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,01
[PCl5] = mol/L
11.Kalorimetrie & EnthalpieMittel
Tf​ = ?Zinkm = 150 gT = 100 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Wasserm = 250 gT = 23 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Ein Block aus Zink mit 150 g (c = 0,388 J/(g·°C)) und einer Temperatur von 100 °C wird in einem isolierten Becher in 250 g Wasser (c = 4,18 J/(g·°C)) von 23 °C gelegt. Bestimme die Endtemperatur Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 100 °Cmwater = 250 gTwater = 23 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Kalorimetrie & EnthalpieSchwer
H10 g C2​H6​2C2​H6​ + 7O₂Edukte4CO₂ + 6H₂O(l)Produkteq = ?

Bestimme mit den Standardbildungsenthalpien die Wärme q, die frei wird, wenn 10 g C2H6 (M = 30,07 g/mol) vollständig verbrennen: 2C2H6 + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l). Gib q als positive Zahl an.

ΔH°f(C2H6) = −84,7 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 = ?50%

Eine Reaktion erster Ordnung in einem Satzreaktor hat k = 0,2 min⁻¹. Wie lange dauert es bis zu einem Umsatz von 50 %? Bestimme t.

k = 0,2 min⁻¹X = 50 %
t = min
14.ReaktionskinetikSchwer
Tk40 °C0,00580 °C?

Eine Reaktion hat bei 40 °C eine Geschwindigkeitskonstante von 0,005 min⁻¹ und eine Aktivierungsenergie von 50 kJ/mol. Bestimme die Geschwindigkeitskonstante k2 bei 80 °C.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 40 °CT2 = 80 °CEa = 50 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Mittel
QX = 85%gleiches Q, k und X wie der Rührkessel

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung soll 85 % Umsatz erreichen. Wie viel größer muss ein Rührkessel (CSTR) sein als ein Strömungsrohr (PFR) bei gleichem Zulauf, gleicher Geschwindigkeitskonstante und gleichem Umsatz? Bestimme das Verhältnis VCSTR/VPFR.

X = 85%erste Ordnung, gleiches k und Q
VCSTR/VPFR =
16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Schwer
V = 100 LQ = 5 L/minX = ?

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung (k = 0,15 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 = 0,15 min⁻¹
X = %
17.Wärmeübertrager (LMTD)Mittel
LängeT110 °C75 °C15 °C65 °CΔT₁ΔT₂Gleichstrom

Ein Gleichstrom-Wärmeübertrager überträgt 30 kW. Das heiße Fluid kühlt von 110 auf 75 °C ab, und das kalte Fluid erwärmt sich von 15 auf 65 °C. Der Wärmedurchgangskoeffizient beträgt 200 W/(m²·K). Bestimme die nötige Wärmeübertragungsfläche A.

Q̇ = 30 kWU = 200 W/(m²·K)Th: 110 → 75 °CTc: 15 → 65 °C
A = m²
18.Wärmeübertrager (LMTD)Schwer
LängeT115 °C65 °C10 °C?ΔT₁ΔT₂Gleichstrom

In einem Doppelrohr-Wärmeübertrager im Gleichstrom strömt heißes Öl (0,2 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) im Innenrohr und kühlt von 115 auf 65 °C ab. Wasser (0,2 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) tritt im Ringspalt mit 10 °C ein. Das Innenrohr hat 25 mm Durchmesser, und U = 200 W/(m²·K) ist auf diesen Durchmesser bezogen. Bestimme die nötige Rohrlänge L.

ṁh = 0,2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 115 → 65 °Cṁc = 0,2 kg/sTc,in = 10 °CD = 25 mmU = 200 W/(m²·K)
L = m
19.WärmeleitungMittel
Beton, k = 1,4150 mmHolz, k = 0,1725 mm25 °C10 °CQ̇ = ?

Eine Wand besteht aus 150 mm Beton und 25 mm Holz, mit einer Fläche von 12 m². Die Außenflächen haben 25 °C und 10 °C. Bestimme den Wärmestrom Q̇ durch die Wand.

L1 = 150 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 25 °CT3 = 10 °C
Q̇ = W
20.WärmeleitungSchwer
Gipskarton, k = 0,17150 mmBeton, k = 1,4150 mmRaum 21 °Caußen -15 °CQ̇

Eine Wand aus 150 mm Gipskarton und 150 mm Beton trennt einen Raum mit 21 °C von der Außenluft mit -15 °C. Die Wärmeübergangskoeffizienten sind innen 10 W/(m²·K) und außen 25 W/(m²·K), und die Wandfläche beträgt 6 m². Bestimme den Wärmedurchgangskoeffizienten U der Wand.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 6 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -15 °C
U = W/(m²·K)
21.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 1,1 m/sD = 200 mmL = 800 mf = 0,03

Wasser fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 1,1 m/s durch ein 800 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 200 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,03 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

V = 1,1 m/sL = 800 mD = 200 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 5Δz = 39 mL = 300 m, D = 250 mm, f = 0,0182× Krümmer (K = 0,3)

Zwei offene Behälter sind durch ein 300 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 250 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018 verbunden. Der Wasserspiegel des oberen Behälters liegt 39 m über dem des unteren. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 2 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. Bestimme den Durchfluss Q in L/s.

Δz = 39 mL = 300 mD = 250 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 50 L/sH = 16 m

Eine Pumpe fördert 50 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 16 m. Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 65 %, und der antreibende Elektromotor hat einen Wirkungsgrad von 95 %. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die elektrische Leistung Pel, die der Motor aufnimmt, in kW.

Q = 50 L/sH = 16 mηpump = 65%ηmotor = 95%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 50 L/sΔz = 25 mL = 200 m, D = 150 mm, f = 0,018, ΣK = 5

Eine Pumpe fördert 50 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 25 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 200 m lang, hat einen Innendurchmesser von 150 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 5 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 70 %. Bestimme die Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 50 L/sΔz = 25 mL = 200 mD = 150 mmf = 0,018ΣK = 5η = 70%
Pshaft = kW

3Lösungen

1.Massenbilanz

Antwort: ṁ2 = 300 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) = 600·(40 − 30)/(30 − 10) = 300 kg/h

Antwort

ṁ2 = 300 kg/h
2.Massenbilanz

Antwort: P = 1267 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 = 2000·19/30 = 1267 kg/h

Antwort

P = 1267 kg/h
3.Energiebilanz

Antwort: tout = 29,38 °C

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

Vom heißen Strom abgegebene Wärme

Q = 1,5·3,6·(150 − 120) = 162 kW

Vom Wasser aufgenommene Wärme

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 162/(2·4,18) = 29,38 °C

Antwort

tout = 29,38 °C
4.Energiebilanz

Antwort: ṁc = 0,4753 kg/s

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

Abgegebene Wärme

Qh = 0,5·2,44·(140 − 80) = 73,2 kW

Wärme, die das Wasser erreicht

Qc = (1 − 0,05)·73,2 = 69,54 kW

Wasserstrom

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 69,54/(4,18·35) = 0,4753 kg/s

Antwort

ṁc = 0,4753 kg/s
5.Ideales Gasgesetz

Antwort: P = 406,8 kPa

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

Stoffmenge

n = m/M = 50/32 = 1,563 mol
T = 40 + 273,15 = 313,1 K

Druck

P = nRT/V = 1,563·8,314·313,1/0,01 = 406,8 kPa

Antwort

P = 406,8 kPa
6.Ideales Gasgesetz

Antwort: ρ = 0,4158 kg/m³

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

Gasgesetz umstellen

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 190 + 273,15 = 463,1 K

Dichte

ρ = 400·4,003/(8,314·463,1) = 0,4158 kg/m³

Antwort

ρ = 0,4158 kg/m³
7.Stöchiometrie

Antwort: m = 10,03 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(Al) = 30/26,98 = 1,112 mol
n(Cl2) = 8/70,9 = 0,1128 mol

Limitierender Reaktant

1,112/2 = 0,556, 0,1128/3 = 0,03761 → Cl2

Masse des Produkts

n(AlCl3) = 0,03761·2 = 0,07522 mol
m = 0,07522·133,33 = 10,03 g

Antwort

m = 10,03 g
8.Stöchiometrie

Antwort: Y = 88,02 %

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) = 4/22,99 = 0,174 mol
m = 0,174·2/2·58,44 = 10,17 g

Prozentuale Ausbeute

Y = 8,95/10,17·100 = 88,02%

Antwort

Y = 88,02%
9.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [HI] = 0,15 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/(0,1 − x)²

Wurzel ziehen

6 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·6/(2 + 6) = 0,075 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[HI] = 2x = 0,15 mol/L

Antwort

[HI] = 0,15 mol/L
10.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [PCl5] = 0,7154 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

0,01 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,01·x − 0,008 = 0

Quadratische Gleichung lösen

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,008))/2 = 0,08458 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[PCl₅] = 0,8 − 0,08458 = 0,7154 mol/L

Antwort

[PCl5] = 0,7154 mol/L
11.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: Tf = 27,06 °C

Wärme und Enthalpie: Um einen Stoff zu erwärmen, braucht man q = m·c·ΔT. Im Kalorimeter ist die vom heißen Körper abgegebene Wärme gleich der vom kalten aufgenommenen. Die Reaktionsenthalpie folgt aus den Bildungsenthalpien: ΔH° = ΣΔH°f(Produkte) − ΣΔH°f(Edukte), jeweils mit dem Koeffizienten multipliziert.

Wärmebilanz

150·0,388·(100 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 23)

Nach der Endtemperatur auflösen

Tf = (58,2·100 + 1045·23)/(58,2 + 1045) = 27,06 °C

Antwort

Tf = 27,06 °C
12.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: q = 518,7 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

Wärme für die gegebene Masse

n = 10/30,07 = 0,3326 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,3326·1560 = 518,7 kJ

Antwort

q = 518,7 kJ
13.Reaktionskinetik

Antwort: t = 3,466 min

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).

Umsatz und Konzentration

C/C0 = 1 − X = 0,5

Nach der Zeit auflösen

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,5)/0,2 = 3,466 min

Antwort

t = 3,466 min
14.Reaktionskinetik

Antwort: k2 = 0,04402 min⁻¹

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 = 313,1 K, T2 = 353,1 K

Arrhenius-Verhältnis

ln(k2/k1) = −(50000/8,314)·(1/353,1 − 1/313,1) = 2,175
k2 = 0,005·e2,175 = 0,04402 min⁻¹

Antwort

k2 = 0,04402 min⁻¹
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: VCSTR/VPFR = 2,987

Ideale Reaktoren, Reaktion erster Ordnung (−rA = k·CA) im stationären Zustand, mit der Verweilzeit τ = V/Q. Ein Rührkessel (CSTR) ist ideal durchmischt, daher reagiert das ganze Volumen bei der niedrigen Austrittskonzentration: τ = X/(k·(1 − X)) und CA = CA0/(1 + k·τ). In einem Strömungsrohr (PFR) reagiert jede Fluidscheibe wie ein kleiner Satzreaktor: τ = ln(1/(1 − X))/k und CA = CA0·e−k·τ. Für denselben Umsatz braucht ein Rührkessel immer mehr Volumen als ein Strömungsrohr.

k·τ für jeden Reaktor

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,85/0,15 = 5,667
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(6,667) = 1,897

Volumenverhältnis

VCSTR/VPFR = 5,667/1,897 = 2,987

Antwort

VCSTR/VPFR = 2,987

Der Unterschied wächst bei hohem Umsatz schnell.

16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: X = 75 %

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 = 0,15·20 = 3

Umsatz

X = kτ/(1 + kτ) = 3/(1 + 3) = 75%

Antwort

X = 75%
17.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: A = 3,973 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 Gleichstrom liegen beide Eintritte am selben Ende und beide Austritte am anderen.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 110 − 15 = 95 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 75 − 65 = 10 K

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (95 − 10)/ln(95/10) = 37,76 K

Fläche

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 30000/(200·37,76) = 3,973 m²

Antwort

A = 3,973 m²
18.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: L = 22,37 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 = 0,2·2,1·(115 − 65) = 21 kW
Tc,out = 10 + 21/(0,2·4,18) = 35,12 °C

Temperaturdifferenzen an den Enden

Im Gleichstrom liegen beide Eintritte am selben Ende und beide Austritte am anderen.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 115 − 10 = 105 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 65 − 35,12 = 29,88 K

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (105 − 29,88)/ln(105/29,88) = 59,77 K

Fläche und Länge

A = 21000/(200·59,77) = 1,757 m²
L = A/(πD) = 1,757/(π·0,025) = 22,37 m

Antwort

L = 22,37 m
19.Wärmeleitung

Antwort: Q̇ = 708,1 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) = (150/1000)/(1,4·12) = 0,008929 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,17·12) = 0,01225 K/W

Wärmestrom

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 15/0,02118 = 708,1 W

Antwort

Q̇ = 708,1 W
20.Wärmeleitung

Antwort: U = 0,8854 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/(10·6) = 0,01667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,17·6) = 0,1471 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(1,4·6) = 0,01786 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·6) = 0,006667 K/W
ΣR = 0,1882 K/W

Wärmedurchgangskoeffizient

U = 1/(A·ΣR) = 1/(6·0,1882) = 0,8854 W/(m²·K)

Antwort

U = 0,8854 W/(m²·K)
21.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 7,401 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) = 1,1²/(2·9,81) = 0,06167 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(800/0,2)·1,1²/(2·9,81) = 7,401 m

Antwort

hf = 7,401 m
22.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Q = 253,5 L/s

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.

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,018·300/0,25 = 21,6
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 + 1,0 = 7,1

Energiegleichung

Beide Wasserspiegel sind offen zur Atmosphäre und praktisch in Ruhe, daher geht das gesamte Δz in der Rohrleitung verloren.

39 = (21,6 + 7,1)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·39/28,7) = 5,163 m/s

Volumenstrom

Q = V·π·D²/4 = 5,163·0,04909 = 0,2535 m³/s = 253,5 L/s

Antwort

Q = 253,5 L/s
23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pel = 12,71 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 = 1000·9,81·0,05·16 = 7,848 kW

Wellenleistung

Pshaft = 7,848/0,65 = 12,07 kW

Elektrische Leistung

Pel = 12,07/0,95 = 12,71 kW

Antwort

Pel = 12,71 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 25,81 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.

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) = (24 + 5)·0,408 = 11,83 m

Förderhöhe

H = Δz + hL = 25 + 11,83 = 36,83 m

Wellenleistung

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,05·36,83/0,7 = 25,81 kW

Antwort

Pshaft = 25,81 kW

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