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 1650 kg/h · 5% NaOHStrom 2ṁ₂ = ? · 30% NaOHProdukt10% NaOH

Wie viel von Strom 2 muss stündlich zu Strom 1 gegeben werden, damit das Gemisch 10 % NaOH enthält? Bestimme ṁ2.

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 5 %x2 = 30 %x3 = 10 %
ṁ2 = kg/h
2.MassenbilanzSchwer
VerdampferZulauf F4700 kg/h · 14% SalzProdukt PP = ? · 65%Brüden W (reines Wasser)0% Salz

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

F = 4700 kg/hxF = 14 %xP = 65 %
P = kg/h
3.EnergiebilanzMittel
heiße Seitekalte SeiteEthanol · 160 °C70 °CWasser · 15 °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: 160 → 70 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.EnergiebilanzSchwer
heiße Seitekalte SeiteGlykolgemisch · 130 °C70 °CWasser · 15 °C45 °C · ṁ = ?15 % Verlust

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

ṁh = 3 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 130 → 70 °Ct: 15 → 45 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Verlust = 15 %
ṁc = kg/s
5.Ideales GasgesetzMittel
260 g ArV = 5 LT = 10 °CP = ?

Ein Behälter mit 5 L enthält 260 g Ar bei 10 °C. Behandle es als ideales Gas und bestimme den Druck P.

m = 260 gM = 39,95 g/molV = 5 LT = 10 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ideales GasgesetzSchwer
CH₄, M = 16,04 g/molP = 550 kPaT = 50 °Cρ = ?

Bestimme die Dichte ρ von CH₄ bei 550 kPa und 50 °C als ideales Gas.

M = 16,04 g/molP = 550 kPaT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StöchiometrieMittel
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 1/ν× M(CO2​)

24 g CH4 und 16 g O2 reagieren nach CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Welche Masse m an CO2 kann entstehen?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.StöchiometrieSchwer
m(H2​)n(H2​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(H2​)× 2/2× M(H2​O)

Bei der Reaktion 2H2 + O2 → 2H2O reagieren 30 g H2 vollständig (die übrigen Edukte im Überschuss), und es werden 209,2 g H2O gewonnen. Bestimme die prozentuale Ausbeute Y.

M(H2) = 2,016 g/molM(H2O) = 18,02 g/moltatsächlich: 209,2 g
Y = %
9.Chemisches GleichgewichtMittel
H2​I2​HII0,250,250C−x−x+2xE0,25 − x0,25 − x2x

0,25 mol/L H₂ und 0,25 mol/L I₂ werden in einen Behälter gegeben und reagieren: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, mit Kc = 50. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 50
[H2] = mol/L
10.Chemisches GleichgewichtSchwer
PCl5​PCl3​Cl2​I0,2500C−x+x+xE0,25 − xxx

PCl₅ zerfällt: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, mit Kc = 0,2 bei der Reaktionstemperatur. Ein Behälter enthält anfangs nur PCl₅ mit 0,25 mol/L. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LKc = 0,2
[Cl2] = mol/L
11.Kalorimetrie & EnthalpieMittel
Tf​ = ?Eisenm = 250 gT = 150 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Wasserm = 400 gT = 18 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Ein Block aus Eisen mit 250 g (c = 0,449 J/(g·°C)) und einer Temperatur von 150 °C wird in einem isolierten Becher in 400 g Wasser (c = 4,18 J/(g·°C)) von 18 °C gelegt. Bestimme die Endtemperatur Tf.

mmetal = 250 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 150 °Cmwater = 400 gTwater = 18 °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)C (mol/L)20 minC = ?

Eine Reaktion mit dem Geschwindigkeitsgesetz −rA = k·CA² hat k = 1 L/(mol·min) und startet bei 2 mol/L. Bestimme die Konzentration CA nach 20 min.

k = 1 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/Lt = 20 min
CA = mol/L
14.ReaktionskinetikSchwer
Tk30 °Ck1​?4·k1​

Eine Reaktion hat eine Aktivierungsenergie von 50 kJ/mol. Bei 30 °C ist sie zu langsam. Auf welche Temperatur T2 (in °C) muss man sie erwärmen, damit sie 4-mal schneller abläuft?

Ea = 50 kJ/molT1 = 30 °Ck2/k1 = 4R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Mittel
Q = 25 L/minX = 70%V = ?, k = 0,12 min⁻¹

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung A → B mit k = 0,12 min⁻¹ wird in einem Strömungsrohr (PFR) mit einem Zulauf von 25 L/min durchgeführt. Die Dichte ist konstant, und der Reaktor ist im stationären Zustand. Bestimme das Reaktorvolumen V in Litern für 70 % Umsatz von A.

Q = 25 L/mink = 0,12 min⁻¹X = 70%
V = L
16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Schwer
V = 250 LV = 250 LQ = 80 L/minX = ?

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung (k = 0,2 min⁻¹) läuft in zwei gleichen Rührkesseln in Reihe mit je 250 L. Der Zulauf beträgt 80 L/min, die Dichte ist konstant, und die Reaktoren sind im stationären Zustand. Bestimme den Gesamtumsatz X in Prozent.

V = 250 L (×2)Q = 80 L/mink = 0,2 min⁻¹
X = %
17.Wärmeübertrager (LMTD)Mittel
LängeT100 °C55 °C15 °C45 °CΔT₁ΔT₂Gleichstrom

Ein Gleichstrom-Wärmeübertrager überträgt 390 kW. Seine Wärmeübertragungsfläche beträgt 2,5 m². Das heiße Fluid kühlt von 100 auf 55 °C ab, das kalte Fluid erwärmt sich von 15 auf 45 °C. Bestimme den Wärmedurchgangskoeffizienten U.

Q̇ = 390 kWA = 2,5 m²Th: 100 → 55 °CTc: 15 → 45 °C
U = W/(m²·K)
18.Wärmeübertrager (LMTD)Schwer
LängeT170 °C150 °C26,99 °C25 °CΔT₁ΔT₂Gegenstrom

Heißes Öl (0,5 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) kühlt in einem Gegenstrom-Wärmeübertrager von 170 auf 150 °C ab. Es erwärmt 3 kg/s Wasser (cp = 4,18 kJ/(kg·K)), das mit 25 °C eintritt. Bestimme mit U = 300 W/(m²·K) die nötige Wärmeübertragungsfläche A.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 170 → 150 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °CU = 300 W/(m²·K)
A = m²
19.WärmeleitungMittel
Glas, k = 0,96200 mmHolz, k = 0,17100 mm23 °C0 °CQ̇ = ?

Eine Wand besteht aus 200 mm Glas und 100 mm Holz, mit einer Fläche von 10 m². Die Außenflächen haben 23 °C und 0 °C. Bestimme den Wärmestrom Q̇ durch die Wand.

L1 = 200 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 23 °CT3 = 0 °C
Q̇ = W
20.WärmeleitungSchwer
Beton, k = 1,4150 mmExpandiertes Polystyrol, k = 0,03550 mmRaum 20 °Caußen -1 °CQ̇

Eine Wand aus 150 mm Beton und 50 mm expandiertes Polystyrol trennt einen Raum mit 20 °C von der Außenluft mit -1 °C. Die Wärmeübergangskoeffizienten sind innen 10 W/(m²·K) und außen 30 W/(m²·K), und die Wandfläche beträgt 6 m². Bestimme den Wärmedurchgangskoeffizienten U der Wand.

L1 = 150 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 6 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -1 °C
U = W/(m²·K)
21.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
Q = 60 L/sD = 150 mmL = 200 mf = 0,028

Wasser fließt mit 60 L/s durch ein 200 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 150 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,028 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

Q = 60 L/sL = 200 mD = 150 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 5Δz = ?L = 300 m, D = 300 mm, f = 0,0184× Krümmer (K = 0,3)

Zwei offene Behälter sind durch ein 300 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018 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 120 L/s?

Q = 120 L/sL = 300 mD = 300 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 10 L/sH = 20 m

Eine Pumpe fördert 10 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 20 m. Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 75 %, und der antreibende Elektromotor hat einen Wirkungsgrad von 88 %. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die elektrische Leistung Pel, die der Motor aufnimmt, in kW.

Q = 10 L/sH = 20 mηpump = 75%ηmotor = 88%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 80 L/sΔz = 11 mL = 150 m, D = 200 mm, f = 0,022, ΣK = 8

Eine Pumpe fördert 80 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 150 m lang, hat einen Innendurchmesser von 200 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,022; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 8 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 72 %. Bestimme die Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 80 L/sΔz = 11 mL = 150 mD = 200 mmf = 0,022ΣK = 8η = 72%
Pshaft = kW

3Lösungen

1.Massenbilanz

Antwort: ṁ2 = 162,5 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) = 650·(5 − 10)/(10 − 30) = 162,5 kg/h

Antwort

ṁ2 = 162,5 kg/h
2.Massenbilanz

Antwort: P = 1012 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 = 4700·14/65 = 1012 kg/h

Antwort

P = 1012 kg/h
3.Energiebilanz

Antwort: tout = 50,02 °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·(160 − 70) = 219,6 kW

Vom Wasser aufgenommene Wärme

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 219,6/(1,5·4,18) = 50,02 °C

Antwort

tout = 50,02 °C
4.Energiebilanz

Antwort: ṁc = 4,392 kg/s

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

Abgegebene Wärme

Qh = 3·3,6·(130 − 70) = 648 kW

Wärme, die das Wasser erreicht

Qc = (1 − 0,15)·648 = 550,8 kW

Wasserstrom

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 550,8/(4,18·30) = 4,392 kg/s

Antwort

ṁc = 4,392 kg/s
5.Ideales Gasgesetz

Antwort: P = 3064 kPa

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

Stoffmenge

n = m/M = 260/39,95 = 6,508 mol
T = 10 + 273,15 = 283,1 K

Druck

P = nRT/V = 6,508·8,314·283,1/0,005 = 3064 kPa

Antwort

P = 3064 kPa
6.Ideales Gasgesetz

Antwort: ρ = 3,284 kg/m³

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

Gasgesetz umstellen

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Dichte

ρ = 550·16,04/(8,314·323,1) = 3,284 kg/m³

Antwort

ρ = 3,284 kg/m³
7.Stöchiometrie

Antwort: m = 11 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(CH4) = 24/16,04 = 1,496 mol
n(O2) = 16/32 = 0,5 mol

Limitierender Reaktant

1,496/1 = 1,496, 0,5/2 = 0,25 → O2

Masse des Produkts

n(CO2) = 0,25·1 = 0,25 mol
m = 0,25·44,01 = 11 g

Antwort

m = 11 g
8.Stöchiometrie

Antwort: Y = 78 %

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(H2) = 30/2,016 = 14,88 mol
m = 14,88·2/2·18,02 = 268,2 g

Prozentuale Ausbeute

Y = 209,2/268,2·100 = 78%

Antwort

Y = 78%
9.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [H2] = 0,05512 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/(0,25 − x)²

Wurzel ziehen

7,071 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·7,071/(2 + 7,071) = 0,1949 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[H₂] = 0,25 − x = 0,05512 mol/L

Antwort

[H2] = 0,05512 mol/L
10.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [Cl2] = 0,1449 mol/L

Chemisches Gleichgewicht: Für aA + bB ⇌ cC + dD ist die Gleichgewichtskonstante Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), gebildet mit den Konzentrationen im Gleichgewicht. Eine ICE-Tabelle (Initial = Anfang, Change = Änderung, Equilibrium = Gleichgewicht) verknüpft die Anfangsmengen über eine einzige Unbekannte x, skaliert mit den Koeffizienten, mit den Gleichgewichtsmengen.

Gleichgewichtsausdruck

0,2 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,2·x − 0,05 = 0

Quadratische Gleichung lösen

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,05))/2 = 0,1449 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[Cl₂] = x = 0,1449 mol/L

Antwort

[Cl2] = 0,1449 mol/L
11.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: Tf = 26,3 °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

250·0,449·(150 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 18)

Nach der Endtemperatur auflösen

Tf = (112,3·150 + 1672·18)/(112,3 + 1672) = 26,3 °C

Antwort

Tf = 26,3 °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: CA = 0,04878 mol/L

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).

Integriertes Gesetz zweiter Ordnung

1/CA = 1/CA0 + kt = 0,5 + 1·20 = 20,5 L/mol
CA = 1/20,5 = 0,04878 mol/L

Antwort

CA = 0,04878 mol/L
14.Reaktionskinetik

Antwort: T2 = 52,78 °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 = 303,1 K

Arrhenius nach T₂ auflösen

1/T2 = 1/303,1 − 8,314·ln(4)/50000 = 3,299 × 10⁻³ − 2,305 × 10⁻⁴ = 3,068 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 325,9 K = 52,78 °C

Antwort

T2 = 52,78 °C
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: V = 250,8 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 − 0,7))/0,12 = 1,204/0,12 = 10,03 min

Volumen

V = Q·τ = 25·10,03 = 250,8 L

Antwort

V = 250,8 L
16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: X = 62,13 %

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 = 250/80 = 3,125 min, kτ = 0,2·3,125 = 0,625

Umsatz

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,625) = 0,6154
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,3787
X = 1 − 0,3787 = 62,13%

Antwort

X = 62,13%
17.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: U = 4451 W/(m²·K)

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

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 100 − 15 = 85 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 55 − 45 = 10 K

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (85 − 10)/ln(85/10) = 35,05 K

Wärmedurchgangskoeffizient

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 390000/(2,5·35,05) = 4451 W/(m²·K)

Antwort

U = 4451 W/(m²·K)
18.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: A = 0,6228 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) = 0,5·2,5·20 = 25 kW
Tc,out = 25 + 25/(3·4,18) = 26,99 °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 = 170 − 26,99 = 143 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 150 − 25 = 125 K

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (143 − 125)/ln(143/125) = 133,8 K

Fläche

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 25000/(300·133,8) = 0,6228 m²

Antwort

A = 0,6228 m²
19.Wärmeleitung

Antwort: Q̇ = 288,7 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.

Schichtwiderstände

R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,96·10) = 0,02083 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·10) = 0,05882 K/W

Wärmestrom

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 23/0,07966 = 288,7 W

Antwort

Q̇ = 288,7 W
20.Wärmeleitung

Antwort: U = 0,5991 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)/(1,4·6) = 0,01786 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,035·6) = 0,2381 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·6) = 0,005556 K/W
ΣR = 0,2782 K/W

Wärmedurchgangskoeffizient

U = 1/(A·ΣR) = 1/(6·0,2782) = 0,5991 W/(m²·K)

Antwort

U = 0,5991 W/(m²·K)
21.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 21,94 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·0,15²/4 = 0,01767 m²
V = Q/A = 0,06/0,01767 = 3,395 m/s

Geschwindigkeitshöhe

V²/(2g) = 3,395²/(2·9,81) = 0,5876 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(200/0,15)·3,395²/(2·9,81) = 21,94 m

Antwort

hf = 21,94 m
22.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Δz = 3,775 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 = 0,12/0,07069 = 1,698 m/s
V²/(2g) = 0,1469 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,018·300/0,3 = 18
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 + 1,0 = 7,7

Gesamte Verlusthöhe

hf = 18·0,1469 = 2,644 m
hm = 7,7·0,1469 = 1,131 m
Δz = hf + hm = 3,775 m

Antwort

Δz = 3,775 m
23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pel = 2,973 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 = 1000·9,81·0,01·20 = 1,962 kW

Wellenleistung

Pshaft = 1,962/0,75 = 2,616 kW

Elektrische Leistung

Pel = 2,616/0,88 = 2,973 kW

Antwort

Pel = 2,973 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 20,82 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 = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (16,5 + 8)·0,3305 = 8,097 m

Förderhöhe

H = Δz + hL = 11 + 8,097 = 19,1 m

Wellenleistung

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,08·19,1/0,72 = 20,82 kW

Antwort

Pshaft = 20,82 kW

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