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 · 20% SalzStrom 2ṁ₂ = ? · 50% SalzProdukt40% Salz

Wie viel von Strom 2 muss stündlich zu Strom 1 gegeben werden, damit das Gemisch 40 % Salz enthält? Bestimme ṁ2.

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 20 %x2 = 50 %x3 = 40 %
ṁ2 = kg/h
2.MassenbilanzSchwer
VerdampferZulauf F3100 kg/h · 15% ZuckerProdukt PP = ? · 60%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 = 3100 kg/hxF = 15 %xP = 60 %
P = kg/h
3.EnergiebilanzMittel
heiße Seitekalte SeiteEthanol · 170 °C80 °CWasser · 20 °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: 170 → 80 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.EnergiebilanzSchwer
heiße Seitekalte SeiteLeichtöl · 160 °C60 °CWasser · 10 °C25 °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 = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 60 °Ct: 10 → 25 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Verlust = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ideales GasgesetzMittel
450 g CO₂V = 50 LT = 5 °CP = ?

Ein Behälter mit 50 L enthält 450 g CO₂ bei 5 °C. Behandle es als ideales Gas und bestimme den Druck P.

m = 450 gM = 44,01 g/molV = 50 LT = 5 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ideales GasgesetzSchwer
Zustand 1Zustand 2

Eine feste Menge O₂ geht von 250 kPa, 2 L, 20 °C über zu 350 kPa und 170 °C. Bestimme das neue Volumen V2.

P1 = 250 kPaV1 = 2 LT1 = 20 °CP2 = 350 kPaT2 = 170 °C
V2 = L
7.StöchiometrieMittel
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

4 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(N2​)n(N2​)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(N2​)× 2/1× M(NH3​)

Bei der Reaktion N2 + 3H2 → 2NH3 reagieren 8 g N2 vollständig (die übrigen Edukte im Überschuss), und es werden 5,35 g NH3 gewonnen. Bestimme die prozentuale Ausbeute Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/moltatsächlich: 5,35 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 = 49. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 49
[HI] = mol/L
10.Chemisches GleichgewichtSchwer
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

PCl₅ zerfällt: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, mit Kc = 0,04 bei der Reaktionstemperatur. Ein Behälter enthält anfangs nur PCl₅ mit 0,5 mol/L. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,04
[PCl5] = mol/L
11.Kalorimetrie & EnthalpieMittel
Tf​ = ?Bleim = 200 gT = 130 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Wasserm = 150 gT = 23 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Ein Block aus Blei mit 200 g (c = 0,129 J/(g·°C)) und einer Temperatur von 130 °C wird in einem isolierten Becher in 150 g Wasser (c = 4,18 J/(g·°C)) von 23 °C gelegt. Bestimme die Endtemperatur Tf.

mmetal = 200 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 130 °Cmwater = 150 gTwater = 23 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Kalorimetrie & EnthalpieSchwer
HC3​H8​ + 5O₂Edukte3CO₂ + 4H₂O(l)ProdukteΔH° = ?

Bestimme mit den Standardbildungsenthalpien ΔH° für die Reaktion C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l).

ΔH°f(C3H8) = −103,8 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)2 minC = ?

Eine Reaktion mit dem Geschwindigkeitsgesetz −rA = k·CA² hat k = 0,2 L/(mol·min) und startet bei 2 mol/L. Bestimme die Konzentration CA nach 2 min.

k = 0,2 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/Lt = 2 min
CA = mol/L
14.ReaktionskinetikSchwer
1/Tln kT = 25 °Cln 0,002ln A = ?Ea​ = 80 kJ/mol

Eine Reaktion erster Ordnung hat bei 25 °C eine Geschwindigkeitskonstante von 0,002 s⁻¹ und eine Aktivierungsenergie von 80 kJ/mol. Bestimme den Stoßfaktor (präexponentiellen Faktor) A in der Arrhenius-Gleichung.

k = 0,002 s⁻¹T = 25 °CEa = 80 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Mittel
Q = 25 L/minCA0​ = 1,5 mol/LCA​ = ?V = 50 L, k = 0,25 min⁻¹

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung A → B (k = 0,25 min⁻¹) läuft in einem idealen Strömungsrohr (PFR) mit 50 L. Der Zulauf tritt mit 25 L/min und CA0 = 1,5 mol/L ein. Die Dichte ist konstant, und der Reaktor ist im stationären Zustand. Bestimme die Austrittskonzentration CA.

V = 50 LQ = 25 L/mink = 0,25 min⁻¹CA0 = 1,5 mol/L
CA = mol/L
16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Schwer
Q = 25 L/minX = ?V = 2000 L

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung (k = 0,05 min⁻¹) läuft in einem Strömungsrohr (PFR) mit 2000 L und einem Zulauf von 25 L/min. Die Dichte ist konstant, und der Reaktor ist im stationären Zustand. Bestimme den Umsatz X in Prozent.

V = 2000 LQ = 25 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
17.Wärmeübertrager (LMTD)Mittel
LängeT130 °C75 °C60 °C25 °CΔT₁ΔT₂Gegenstrom

Ein Gegenstrom-Wärmeübertrager überträgt 470 kW. Seine Wärmeübertragungsfläche beträgt 8 m². Das heiße Fluid kühlt von 130 auf 75 °C ab, das kalte Fluid erwärmt sich von 25 auf 60 °C. Bestimme den Wärmedurchgangskoeffizienten U.

Q̇ = 470 kWA = 8 m²Th: 130 → 75 °CTc: 25 → 60 °C
U = W/(m²·K)
18.Wärmeübertrager (LMTD)Schwer
LängeT100 °C10 °C?ΔT₁ΔT₂kondensierender Dampf

Dampf kondensiert bei konstant 100 °C an der Außenseite der Rohre eines Kondensators mit 6 m² Wärmeübertragungsfläche und U = 3000 W/(m²·K). Kühlwasser (1,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) tritt mit 10 °C in die Rohre ein. Bestimme die Austrittstemperatur des Wassers Tc,out.

Ts = 100 °CA = 6 m²U = 3000 W/(m²·K)ṁ = 1,5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °C
Tc,out = °C
19.WärmeleitungMittel
Gipskarton, k = 0,17250 mmGlas, k = 0,9675 mm21 °C-9 °CTi​ = ?Q̇

Eine Wand besteht aus 250 mm Gipskarton und 75 mm Glas, mit einer Fläche von 4 m². Die Außenflächen haben 21 °C und -9 °C. Bestimme die Temperatur Ti an der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 21 °CT3 = -9 °C
Ti = °C
20.WärmeleitungSchwer
Holz, k = 0,17200 mmMineralwolle, k = 0,0425 mmRaum 21 °Caußen -7 °CTs​ = ?Q̇

Eine Wand aus 200 mm Holz und 25 mm Mineralwolle trennt einen Raum mit 21 °C von der Außenluft mit -7 °C. Die Wärmeübergangskoeffizienten sind innen 10 W/(m²·K) und außen 30 W/(m²·K), und die Wandfläche beträgt 4 m². Bestimme die Temperatur Ts der Innenoberfläche der Wand.

L1 = 200 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 4 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -7 °C
Ts = °C
21.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
Q = 50 L/sD = 150 mmL = 200 mf = 0,015

Wasser fließt mit 50 L/s durch ein 200 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 150 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015 und g = 9,81 m/s². Bestimme die Reibungsverlusthöhe hf.

Q = 50 L/sL = 200 mD = 150 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 2Δz = ?L = 200 m, D = 200 mm, f = 0,0182× Krümmer (K = 0,3)

Zwei offene Behälter sind durch ein 200 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 200 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,018 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 75 L/s?

Q = 75 L/sL = 200 mD = 200 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 15 L/sH = 62 m

In einem Versuch fördert eine Pumpe 15 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 62 m, während ihre Welle 14 kW aufnimmt. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Pumpenwirkungsgrad η in Prozent.

Q = 15 L/sH = 62 mPshaft = 14 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 20 L/sΔz = 22 mL = 150 m, D = 100 mm, f = 0,015, ΣK = 5

Eine Pumpe fördert 20 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 22 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 150 m lang, hat einen Innendurchmesser von 100 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 Pumpenwirkungsgrad beträgt 72 %. Bestimme die Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 20 L/sΔz = 22 mL = 150 mD = 100 mmf = 0,015ΣK = 5η = 72%
Pshaft = kW

3Lösungen

1.Massenbilanz

Antwort: ṁ2 = 1300 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) = 650·(20 − 40)/(40 − 50) = 1300 kg/h

Antwort

ṁ2 = 1300 kg/h
2.Massenbilanz

Antwort: P = 775 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 = 3100·15/60 = 775 kg/h

Antwort

P = 775 kg/h
3.Energiebilanz

Antwort: tout = 46,27 °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·(170 − 80) = 109,8 kW

Vom Wasser aufgenommene Wärme

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 109,8/(1·4,18) = 46,27 °C

Antwort

tout = 46,27 °C
4.Energiebilanz

Antwort: ṁc = 3,014 kg/s

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

Abgegebene Wärme

Qh = 1·2,1·(160 − 60) = 210 kW

Wärme, die das Wasser erreicht

Qc = (1 − 0,1)·210 = 189 kW

Wasserstrom

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 189/(4,18·15) = 3,014 kg/s

Antwort

ṁc = 3,014 kg/s
5.Ideales Gasgesetz

Antwort: P = 472,9 kPa

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

Stoffmenge

n = m/M = 450/44,01 = 10,22 mol
T = 5 + 273,15 = 278,1 K

Druck

P = nRT/V = 10,22·8,314·278,1/0,05 = 472,9 kPa

Antwort

P = 472,9 kPa
6.Ideales Gasgesetz

Antwort: V2 = 2,16 L

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

Absolute Temperaturen

T1 = 293,1 K, T2 = 443,1 K

Allgemeine Gasgleichung

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(250/350)·(443,1/293,1) = 2,16 L

Antwort

V2 = 2,16 L
7.Stöchiometrie

Antwort: m = 6,631 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) = 4/24,31 = 0,1645 mol
n(O2) = 32/32 = 1 mol

Limitierender Reaktant

0,1645/2 = 0,08227, 1/1 = 1 → Mg

Masse des Produkts

n(MgO) = 0,08227·2 = 0,1645 mol
m = 0,1645·40,3 = 6,631 g

Antwort

m = 6,631 g
8.Stöchiometrie

Antwort: Y = 55,02 %

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(N2) = 8/28,02 = 0,2855 mol
m = 0,2855·2/1·17,03 = 9,724 g

Prozentuale Ausbeute

Y = 5,35/9,724·100 = 55,02%

Antwort

Y = 55,02%
9.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [HI] = 0,6222 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

49 = (2x)²/(0,4 − x)²

Wurzel ziehen

7 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·7/(2 + 7) = 0,3111 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[HI] = 2x = 0,6222 mol/L

Antwort

[HI] = 0,6222 mol/L
10.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [PCl5] = 0,3772 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

0,04 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,04·x − 0,02 = 0

Quadratische Gleichung lösen

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,02))/2 = 0,1228 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[PCl₅] = 0,5 − 0,1228 = 0,3772 mol/L

Antwort

[PCl5] = 0,3772 mol/L
11.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: Tf = 27,23 °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

200·0,129·(130 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 23)

Nach der Endtemperatur auflösen

Tf = (25,8·130 + 627·23)/(25,8 + 627) = 27,23 °C

Antwort

Tf = 27,23 °C
12.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: ΔH° = −2220 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° = [3·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [1·(−103,8) + 5·0] = −2220 kJ

Antwort

ΔH° = −2220 kJ

Negativ: Die Reaktion gibt Wärme ab (exotherm).

13.Reaktionskinetik

Antwort: CA = 1,111 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 + 0,2·2 = 0,9 L/mol
CA = 1/0,9 = 1,111 mol/L

Antwort

CA = 1,111 mol/L
14.Reaktionskinetik

Antwort: A = 2,076 × 10¹¹ s⁻¹

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

T = 25 + 273,15 = 298,1 K

Arrhenius nach A auflösen

Ea/(RT) = 80000/(8,314·298,1) = 32,27
A = k·e32,27 = 0,002·1,038 × 10¹⁴ = 2,076 × 10¹¹ s⁻¹

Antwort

A = 2,076 × 10¹¹ s⁻¹
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: CA = 0,9098 mol/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 = V/Q = 50/25 = 2 min

Austrittskonzentration

CA = 1,5·e−0,25·2 = 0,9098 mol/L

Antwort

CA = 0,9098 mol/L

Umsatz: X = 39,35%.

16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: X = 98,17 %

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 = 2000/25 = 80 min, kτ = 0,05·80 = 4

Umsatz

X = 1 − e−kτ = 1 − e−4 = 98,17%

Antwort

X = 98,17%
17.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: U = 988,4 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 Gegenstrom liegt der heiße Eintritt dem kalten Austritt gegenüber und der heiße Austritt dem kalten Eintritt.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 130 − 60 = 70 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 75 − 25 = 50 K

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (70 − 50)/ln(70/50) = 59,44 K

Wärmedurchgangskoeffizient

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 470000/(8·59,44) = 988,4 W/(m²·K)

Antwort

U = 988,4 W/(m²·K)
18.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: Tc,out = 94,9 °C

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.

Energiebilanz und Wärmeübertragungsgleichung kombinieren

Mit ΔT₁ = Ts − Tc,in und ΔT₂ = Ts − Tc,out ist die Differenz ΔT₁ − ΔT₂ gleich dem Temperaturanstieg des Wassers, der Anstieg kürzt sich also heraus.

ṁcp(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁcp) = 3000·6/(1,5·4180) = 2,871

Austrittstemperatur

ΔT₂ = ΔT₁·e−2,871 = 90·0,05665 = 5,099 K
Tc,out = 100 − 5,099 = 94,9 °C

Antwort

Tc,out = 94,9 °C

Übertragene Wärme: Q̇ = 532,3 kW.

19.Wärmeleitung

Antwort: Ti = −7,487 °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) = (250/1000)/(0,17·4) = 0,3676 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,96·4) = 0,01953 K/W

Wärmestrom

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 30/0,3872 = 77,48 W

Temperatur an der Grenzfläche

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 21 − 77,48·0,3676 = −7,487 °C

Antwort

Ti = −7,487 °C
20.Wärmeleitung

Antwort: Ts = 19,55 °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.

Widerstände in Reihe

Ri = 1/(hiA) = 1/(10·4) = 0,025 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,17·4) = 0,2941 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,04·4) = 0,1563 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·4) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,4837 K/W

Wärmeverlust

Q̇ = (21 − (-7))/0,4837 = 57,89 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 57,89·0,025 = 19,55 °C

Antwort

Ts = 19,55 °C
21.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: hf = 8,161 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 = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s

Geschwindigkeitshöhe

V²/(2g) = 2,829²/(2·9,81) = 0,408 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(200/0,15)·2,829²/(2·9,81) = 8,161 m

Antwort

hf = 8,161 m
22.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Δz = 6,42 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 = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Verlustbeiwerte

f·L/D = 0,018·200/0,2 = 18
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

Gesamte Verlusthöhe

hf = 18·0,2905 = 5,229 m
hm = 4,1·0,2905 = 1,191 m
Δz = hf + hm = 6,42 m

Antwort

Δz = 6,42 m
23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: η = 65,17 %

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 = 1000·9,81·0,015·62 = 9,123 kW

Wirkungsgrad

η = Ph/Pshaft = 9,123/14 = 65,17%

Antwort

η = 65,17%
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 8,472 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 = 0,02/0,007854 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (22,5 + 5)·0,3305 = 9,089 m

Förderhöhe

H = Δz + hL = 22 + 9,089 = 31,09 m

Wellenleistung

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,02·31,09/0,72 = 8,472 kW

Antwort

Pshaft = 8,472 kW

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