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 11000 kg/h · 15% SalzStrom 2ṁ₂ = ? · 45% SalzProdukt35% Salz

Wie viel von Strom 2 muss stündlich zu Strom 1 gegeben werden, damit das Gemisch 35 % Salz enthält? Bestimme ṁ2.

ṁ1 = 1000 kg/hx1 = 15 %x2 = 45 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.MassenbilanzSchwer
VerdampferZulauf F1600 kg/h · 19% NaOHProdukt P65% NaOHBrüden W (reines Wasser)W = ? kg/h

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

F = 1600 kg/hxF = 19 %xP = 65 %
W = kg/h
3.EnergiebilanzMittel
heiße Seitekalte SeiteEthanol · 130 °C60 °CWasser · 10 °Ct = ? °C

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

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 60 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.EnergiebilanzSchwer
heiße Seitekalte SeiteLeichtöl · 160 °C100 °CWasser · 20 °C45 °C · ṁ = ?15 % Verlust

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

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 100 °Ct: 20 → 45 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Verlust = 15 %
ṁc = kg/s
5.Ideales GasgesetzMittel
490 g N₂P = 800 kPaT = 65 °CV = ?

Welches Volumen V nehmen 490 g N₂ bei 800 kPa und 65 °C ein? Behandle es als ideales Gas.

m = 490 gM = 28,01 g/molP = 800 kPaT = 65 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ideales GasgesetzSchwer
Zustand 1Zustand 2

Eine feste Menge Ar geht von 400 kPa, 5 L, 40 °C über zu 800 kPa und 190 °C. Bestimme das neue Volumen V2.

P1 = 400 kPaV1 = 5 LT1 = 40 °CP2 = 800 kPaT2 = 190 °C
V2 = L
7.StöchiometrieMittel
m(X)n(X)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(X)× 2/ν× M(NH3​)

16 g N2 und 48 g H2 reagieren nach N2 + 3H2 → 2NH3. Welche Masse m an NH3 kann entstehen?

M(N2) = 28,02M(H2) = 2,016M(NH3) = 17,03 g/mol
m = g
8.StöchiometrieSchwer
m(C6​H12​O6​)n(C6​H12​O6​)n(C2​H5​OH)m(C2​H5​OH)÷ M(C6​H12​O6​)× 2/1× M(C2​H5​OH)

Bei der Reaktion C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 reagieren 10 g C6H12O6 vollständig (die übrigen Edukte im Überschuss), und es werden 4,5 g C2H5OH gewonnen. Bestimme die prozentuale Ausbeute Y.

M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(C2H5OH) = 46,07 g/moltatsächlich: 4,5 g
Y = %
9.Chemisches GleichgewichtMittel
H2​I2​HII0,40,40C−x−x+2xE0,4 − x0,4 − x2x

0,4 mol/L H₂ und 0,4 mol/L I₂ werden in einen Behälter gegeben und reagieren: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, mit Kc = 25. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 25
[H2] = mol/L
10.Chemisches GleichgewichtSchwer
PCl5​PCl3​Cl2​I0,200C−x+x+xE0,2 − xxx

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

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LKc = 0,2
[Cl2] = mol/L
11.Kalorimetrie & EnthalpieMittel
Tf​ = ?Zinkm = 100 gT = 160 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Wasserm = 300 gT = 25 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Ein Block aus Zink mit 100 g (c = 0,388 J/(g·°C)) und einer Temperatur von 160 °C wird in einem isolierten Becher in 300 g Wasser (c = 4,18 J/(g·°C)) von 25 °C gelegt. Bestimme die Endtemperatur Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 160 °Cmwater = 300 gTwater = 25 °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)C (mol/L)t½​ = ?C0​/2

Eine Reaktion zweiter Ordnung (−rA = k·CA²) hat k = 0,5 L/(mol·min) und eine Anfangskonzentration von 1,5 mol/L. Bestimme ihre erste Halbwertszeit t½.

k = 0,5 L/(mol·min)CA0 = 1,5 mol/L
t½ = min
14.ReaktionskinetikSchwer
t (min)X (%)45 minX = ?

Eine Reaktion erster Ordnung hat bei 25 °C k = 0,01 min⁻¹ und eine Aktivierungsenergie von 75 kJ/mol. Der Satzreaktor wird jetzt 45 min lang bei 35 °C betrieben. Bestimme den erreichten Umsatz X.

k1 = 0,01 min⁻¹T1 = 25 °CEa = 75 kJ/molT2 = 35 °Ct = 45 minR = 8,314 J/(mol·K)
X = %
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Mittel
QX = 50%gleiches Q, k und X wie der Rührkessel

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung soll 50 % 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 = 50%erste Ordnung, gleiches k und Q
VCSTR/VPFR =
16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Schwer
V = 200 LV = 200 LQ = 40 L/minX = ?

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung (k = 0,05 min⁻¹) läuft in zwei gleichen Rührkesseln in Reihe mit je 200 L. Der Zulauf beträgt 40 L/min, die Dichte ist konstant, und die Reaktoren sind im stationären Zustand. Bestimme den Gesamtumsatz X in Prozent.

V = 200 L (×2)Q = 40 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
17.Wärmeübertrager (LMTD)Mittel
LängeT80 °C55 °C30 °C40 °CΔT₁ΔT₂Gleichstrom

Ein Gleichstrom-Wärmeübertrager überträgt 290 kW. Das heiße Fluid kühlt von 80 auf 55 °C ab, und das kalte Fluid erwärmt sich von 30 auf 40 °C. Der Wärmedurchgangskoeffizient beträgt 300 W/(m²·K). Bestimme die nötige Wärmeübertragungsfläche A.

Q̇ = 290 kWU = 300 W/(m²·K)Th: 80 → 55 °CTc: 30 → 40 °C
A = m²
18.Wärmeübertrager (LMTD)Schwer
LängeT155 °C75 °C118 °C30 °CΔT₁ΔT₂Gegenstrom

Heißes Öl (1 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) kühlt in einem Gegenstrom-Wärmeübertrager von 155 auf 75 °C ab. Es erwärmt 0,5 kg/s Wasser (cp = 4,18 kJ/(kg·K)), das mit 30 °C eintritt. Bestimme mit U = 500 W/(m²·K) die nötige Wärmeübertragungsfläche A.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 155 → 75 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 500 W/(m²·K)
A = m²
19.WärmeleitungMittel
Holz, k = 0,17100 mmGipskarton, k = 0,17100 mm25 °C9 °CTi​ = ?Q̇

Eine Wand besteht aus 100 mm Holz und 100 mm Gipskarton, mit einer Fläche von 12 m². Die Außenflächen haben 25 °C und 9 °C. Bestimme die Temperatur Ti an der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 25 °CT3 = 9 °C
Ti = °C
20.WärmeleitungSchwer
Expandiertes Polystyrol, k = 0,03550 mmGlas, k = 0,9625 mmRaum 20 °Caußen 3 °CQ̇ = ?

Eine Wand aus 50 mm expandiertes Polystyrol und 25 mm Glas trennt einen Raum mit 20 °C von der Außenluft mit 3 °C. Die Wärmeübergangskoeffizienten sind innen 8 W/(m²·K) und außen 20 W/(m²·K), und die Wandfläche beträgt 15 m². Bestimme den Wärmeverlust Q̇ durch die Wand.

L1 = 50 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 15 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = 3 °C
Q̇ = W
21.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 2,1 m/sD = 300 mmL = 800 mf = 0,03

Wasser fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 2,1 m/s durch ein 800 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,03 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

V = 2,1 m/sL = 800 mD = 300 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 2Δz = ?L = 200 m, D = 300 mm, f = 0,022× Krümmer (K = 0,3)

Zwei offene Behälter sind durch ein 200 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,02 verbunden. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 2 Krümmer (je K = 0,3), ein Ventil (K = 2) 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 80 L/s?

Q = 80 L/sL = 200 mD = 300 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 30 L/sH = 22 m

Eine Pumpe mit einem Wirkungsgrad von 72 % fördert 30 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 22 m. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die benötigte Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 30 L/sH = 22 mη = 72%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 75 L/sΔz = 26 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,018, ΣK = 6

Eine Pumpe fördert 75 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 26 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 200 m lang, hat einen Innendurchmesser von 200 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 6 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die Förderhöhe H, die die Pumpe aufbringen muss.

Q = 75 L/sΔz = 26 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,018ΣK = 6
H = m

3Lösungen

1.Massenbilanz

Antwort: ṁ2 = 2000 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) = 1000·(15 − 35)/(35 − 45) = 2000 kg/h

Antwort

ṁ2 = 2000 kg/h
2.Massenbilanz

Antwort: W = 1132 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 = 1600·19/65 = 467,7 kg/h

Gesamtbilanz

W = F − P = 1600 − 467,7 = 1132 kg/h

Antwort

W = 1132 kg/h
3.Energiebilanz

Antwort: tout = 23,62 °C

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

Vom heißen Strom abgegebene Wärme

Q = 0,5·2,44·(130 − 60) = 85,4 kW

Vom Wasser aufgenommene Wärme

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 85,4/(1,5·4,18) = 23,62 °C

Antwort

tout = 23,62 °C
4.Energiebilanz

Antwort: ṁc = 0,5124 kg/s

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

Abgegebene Wärme

Qh = 0,5·2,1·(160 − 100) = 63 kW

Wärme, die das Wasser erreicht

Qc = (1 − 0,15)·63 = 53,55 kW

Wasserstrom

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 53,55/(4,18·25) = 0,5124 kg/s

Antwort

ṁc = 0,5124 kg/s
5.Ideales Gasgesetz

Antwort: V = 61,48 L

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

Stoffmenge

n = 490/28,01 = 17,49 mol
T = 65 + 273,15 = 338,1 K

Volumen

V = nRT/P = 17,49·8,314·338,1/800 = 61,48 L

Antwort

V = 61,48 L
6.Ideales Gasgesetz

Antwort: V2 = 3,698 L

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

Absolute Temperaturen

T1 = 313,1 K, T2 = 463,1 K

Allgemeine Gasgleichung

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(400/800)·(463,1/313,1) = 3,698 L

Antwort

V2 = 3,698 L
7.Stöchiometrie

Antwort: m = 19,45 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(N2) = 16/28,02 = 0,571 mol
n(H2) = 48/2,016 = 23,81 mol

Limitierender Reaktant

0,571/1 = 0,571, 23,81/3 = 7,937 → N2

Masse des Produkts

n(NH3) = 0,571·2 = 1,142 mol
m = 1,142·17,03 = 19,45 g

Antwort

m = 19,45 g
8.Stöchiometrie

Antwort: Y = 87,99 %

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(C6H12O6) = 10/180,16 = 0,05551 mol
m = 0,05551·2/1·46,07 = 5,114 g

Prozentuale Ausbeute

Y = 4,5/5,114·100 = 87,99%

Antwort

Y = 87,99%
9.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [H2] = 0,1143 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

25 = (2x)²/(0,4 − x)²

Wurzel ziehen

5 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·5/(2 + 5) = 0,2857 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[H₂] = 0,4 − x = 0,1143 mol/L

Antwort

[H2] = 0,1143 mol/L
10.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [Cl2] = 0,1236 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/(0,2 − x) → x² + 0,2·x − 0,04 = 0

Quadratische Gleichung lösen

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,04))/2 = 0,1236 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[Cl₂] = x = 0,1236 mol/L

Antwort

[Cl2] = 0,1236 mol/L
11.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: Tf = 29,05 °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

100·0,388·(160 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 25)

Nach der Endtemperatur auflösen

Tf = (38,8·160 + 1254·25)/(38,8 + 1254) = 29,05 °C

Antwort

Tf = 29,05 °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: t½ = 1,333 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).

Halbwertszeit zweiter Ordnung

t½ = 1/(k·CA0) = 1/(0,5·1,5) = 1,333 min

Antwort

t½ = 1,333 min

Jede weitere Halbwertszeit ist doppelt so lang, weil sich C₀ halbiert hat.

14.Reaktionskinetik

Antwort: X = 69,92 %

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).

Geschwindigkeitskonstante bei der neuen Temperatur

T1 = 298,1 K, T2 = 308,1 K
k2 = 0,01·e−(75000/8,314)·(1/308,1 − 1/298,1) = 0,02669 min⁻¹

Umsatz

X = 1 − e−0,02669·45 = 1 − 0,3008 = 69,92 %

Antwort

X = 69,92 %
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: VCSTR/VPFR = 1,443

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) = 0,5/0,5 = 1
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(2) = 0,6931

Volumenverhältnis

VCSTR/VPFR = 1/0,6931 = 1,443

Antwort

VCSTR/VPFR = 1,443

Der Unterschied wächst bei hohem Umsatz schnell.

16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: X = 36 %

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 = 200/40 = 5 min, kτ = 0,05·5 = 0,25

Umsatz

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,25) = 0,8
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,64
X = 1 − 0,64 = 36%

Antwort

X = 36%
17.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: A = 33,25 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 = 80 − 30 = 50 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 55 − 40 = 15 K

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (50 − 15)/ln(50/15) = 29,07 K

Fläche

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 290000/(300·29,07) = 33,25 m²

Antwort

A = 33,25 m²
18.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: A = 9,009 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) = 1·2,3·80 = 184 kW
Tc,out = 30 + 184/(0,5·4,18) = 118 °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 = 155 − 118 = 36,96 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 75 − 30 = 45 K

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (36,96 − 45)/ln(36,96/45) = 40,85 K

Fläche

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 184000/(500·40,85) = 9,009 m²

Antwort

A = 9,009 m²
19.Wärmeleitung

Antwort: Ti = 17 °C

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) = (100/1000)/(0,17·12) = 0,04902 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·12) = 0,04902 K/W

Wärmestrom

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 16/0,09804 = 163,2 W

Temperatur an der Grenzfläche

Über die erste Schicht fällt die Temperatur um Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 25 − 163,2·0,04902 = 17 °C

Antwort

Ti = 17 °C
20.Wärmeleitung

Antwort: Q̇ = 156,5 W

Wärmewiderstand: Stationärer Wärmestrom durch hintereinanderliegende Schichten verhält sich wie Strom durch Widerstände in Reihe: Q̇ = ΔT/ΣR, mit R = L/(kA) für eine leitende Schicht und R = 1/(hA) für eine Oberfläche mit Konvektion. Der Temperaturabfall über jede Schicht ist proportional zu ihrem Widerstand.

Widerstände in Reihe

Ri = 1/(hiA) = 1/(8·15) = 0,008333 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,035·15) = 0,09524 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,96·15) = 0,001736 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·15) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,1086 K/W

Wärmeverlust

Q̇ = (20 − (3))/0,1086 = 156,5 W

Antwort

Q̇ = 156,5 W
21.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 17,98 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) = 2,1²/(2·9,81) = 0,2248 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(800/0,3)·2,1²/(2·9,81) = 17,98 m

Antwort

hf = 17,98 m
22.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Δz = 1,138 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 = 0,08/0,07069 = 1,132 m/s
V²/(2g) = 0,06529 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,02·200/0,3 = 13,33
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

Gesamte Verlusthöhe

hf = 13,33·0,06529 = 0,8705 m
hm = 4,1·0,06529 = 0,2677 m
Δz = hf + hm = 1,138 m

Antwort

Δz = 1,138 m
23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 8,993 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 = 1000·9,81·0,03·22 = 6,475 kW

Wellenleistung

Pshaft = Ph/η = 6,475/0,72 = 8,993 kW

Antwort

Pshaft = 8,993 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: H = 32,97 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 = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (18 + 6)·0,2905 = 6,972 m

Förderhöhe

Beide Wasserspiegel sind offen und praktisch in Ruhe, daher entfallen Druck- und Geschwindigkeitsterme.

H = Δz + hL = 26 + 6,972 = 32,97 m

Antwort

H = 32,97 m

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