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 1950 kg/h · 30% NaOHStrom 2ṁ₂ = ? · 15% NaOHProdukt25% NaOH

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

ṁ1 = 950 kg/hx1 = 30 %x2 = 15 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.MassenbilanzSchwer
VerdampferZulauf F2700 kg/h · 12% NaOHProdukt PP = ? · 60%Brüden W (reines Wasser)0% NaOH

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

F = 2700 kg/hxF = 12 %xP = 60 %
P = kg/h
3.EnergiebilanzMittel
heiße Seitekalte SeiteLeichtöl · 160 °C70 °CWasser · 20 °Ct = ? °C

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

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 70 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.EnergiebilanzSchwer
heiße Seitekalte SeiteEthanol · 120 °C70 °CWasser · 15 °C55 °C · ṁ = ?10 % Verlust

Heißes Ethanol 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 = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Ct: 15 → 55 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Verlust = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ideales GasgesetzMittel
500 g N₂P = 100 kPaT = 100 °CV = ?

Welches Volumen V nehmen 500 g N₂ bei 100 kPa und 100 °C ein? Behandle es als ideales Gas.

m = 500 gM = 28,01 g/molP = 100 kPaT = 100 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ideales GasgesetzSchwer
CO₂, M = 44,01 g/molP = 700 kPaT = 130 °Cρ = ?

Bestimme die Dichte ρ von CO₂ bei 700 kPa und 130 °C als ideales Gas.

M = 44,01 g/molP = 700 kPaT = 130 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StöchiometrieMittel
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

20 g C3H8 und 40 g O2 reagieren nach C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. Welche Masse m an CO2 kann entstehen?

M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.StöchiometrieSchwer
m(C3​H8​)n(C3​H8​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(C3​H8​)× 4/1× M(H2​O)

Bei der Reaktion C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O reagieren 30 g C3H8 vollständig (die übrigen Edukte im Überschuss), und es werden 38,25 g H2O gewonnen. Bestimme die prozentuale Ausbeute Y.

M(C3H8) = 44,1 g/molM(H2O) = 18,02 g/moltatsächlich: 38,25 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 = 54. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 54
[H2] = mol/L
10.Chemisches GleichgewichtSchwer
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

PCl₅ zerfällt: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, mit Kc = 0,2 bei der Reaktionstemperatur. Ein Behälter enthält anfangs nur PCl₅ mit 0,8 mol/L. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,2
[PCl5] = mol/L
11.Kalorimetrie & EnthalpieMittel
Tf​ = ?Eisenm = 150 gT = 90 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Wasserm = 200 gT = 18 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Ein Block aus Eisen mit 150 g (c = 0,449 J/(g·°C)) und einer Temperatur von 90 °C wird in einem isolierten Becher in 200 g Wasser (c = 4,18 J/(g·°C)) von 18 °C gelegt. Bestimme die Endtemperatur Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 90 °Cmwater = 200 gTwater = 18 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Kalorimetrie & EnthalpieSchwer
H50 g C3​H8​C3​H8​ + 5O₂Edukte3CO₂ + 4H₂O(l)Produkteq = ?

Bestimme mit den Standardbildungsenthalpien die Wärme q, die frei wird, wenn 50 g C3H8 (M = 44,1 g/mol) vollständig verbrennen: C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l). Gib q als positive Zahl an.

ΔH°f(C3H8) = −103,8 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
q = kJ
13.ReaktionskinetikMittel
t (min)C (mol/L)t½​ = ?C0​/2

Eine Reaktion zweiter Ordnung (−rA = k·CA²) hat k = 0,05 L/(mol·min) und eine Anfangskonzentration von 0,2 mol/L. Bestimme ihre erste Halbwertszeit t½.

k = 0,05 L/(mol·min)CA0 = 0,2 mol/L
t½ = min
14.ReaktionskinetikSchwer
Tk20 °C0,00540 °C0,0313

Die Geschwindigkeitskonstante einer Reaktion beträgt 0,005 min⁻¹ bei 20 °C und 0,0313 min⁻¹ bei 40 °C. Bestimme die Aktivierungsenergie Ea.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 20 °Ck2 = 0,0313 min⁻¹T2 = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Mittel
Q = 40 L/minX = 60%V = ?, k = 0,08 min⁻¹

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung A → B mit k = 0,08 min⁻¹ wird in einem Strömungsrohr (PFR) mit einem Zulauf von 40 L/min durchgeführt. Die Dichte ist konstant, und der Reaktor ist im stationären Zustand. Bestimme das Reaktorvolumen V in Litern für 60 % Umsatz von A.

Q = 40 L/mink = 0,08 min⁻¹X = 60%
V = L
16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Schwer
V = 150 LV = 150 LQ = 10 L/minX = ?

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung (k = 0,12 min⁻¹) läuft in zwei gleichen Rührkesseln in Reihe mit je 150 L. Der Zulauf beträgt 10 L/min, die Dichte ist konstant, und die Reaktoren sind im stationären Zustand. Bestimme den Gesamtumsatz X in Prozent.

V = 150 L (×2)Q = 10 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
17.Wärmeübertrager (LMTD)Mittel
LängeT90 °C35 °C65 °C15 °CΔT₁ΔT₂Gegenstrom

Ein Rohrbündel-Wärmeübertrager (ein Mantelgang, zwei Rohrgänge) soll 640 kW übertragen. Das heiße Fluid kühlt von 90 auf 35 °C ab, das kalte Fluid erwärmt sich von 15 auf 65 °C. Der LMTD-Korrekturfaktor für diese Anordnung ist F = 0,8, und U = 800 W/(m²·K). Bestimme die nötige Wärmeübertragungsfläche A.

Q̇ = 640 kWF = 0,8U = 800 W/(m²·K)Th: 90 → 35 °CTc: 15 → 65 °C
A = m²
18.Wärmeübertrager (LMTD)Schwer
LängeT105 °C60 °C36,19 °C30 °CΔT₁ΔT₂Gegenstrom

Heißes Öl (0,5 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) kühlt in einem Gegenstrom-Wärmeübertrager von 105 auf 60 °C ab. Es erwärmt 2 kg/s Wasser (cp = 4,18 kJ/(kg·K)), das mit 30 °C eintritt. Bestimme mit U = 800 W/(m²·K) die nötige Wärmeübertragungsfläche A.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 105 → 60 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 800 W/(m²·K)
A = m²
19.WärmeleitungMittel
Gipskarton, k = 0,17250 mmZiegel, k = 0,7250 mm15 °C-10 °CTi​ = ?Q̇

Eine Wand besteht aus 250 mm Gipskarton und 50 mm Ziegel, mit einer Fläche von 20 m². Die Außenflächen haben 15 °C und -10 °C. Bestimme die Temperatur Ti an der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 15 °CT3 = -10 °C
Ti = °C
20.WärmeleitungSchwer
Holz, k = 0,17100 mmGipskarton, k = 0,1775 mmRaum 22 °Caußen -5 °CQ̇

Eine Wand aus 100 mm Holz und 75 mm Gipskarton trennt einen Raum mit 22 °C von der Außenluft mit -5 °C. Die Wärmeübergangskoeffizienten sind innen 7,7 W/(m²·K) und außen 30 W/(m²·K), und die Wandfläche beträgt 10 m². Bestimme den Wärmedurchgangskoeffizienten U der Wand.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 10 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -5 °C
U = W/(m²·K)
21.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 2,4 m/sD = 50 mmL = 800 mf = 0,03

Wasser (ρ = 1000 kg/m³) fließt mit 2,4 m/s durch ein waagerechtes, 800 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 50 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,03 und g = 9,81 m/s². Bestimme den Druckverlust Δp über das Rohr in kPa.

V = 2,4 m/sL = 800 mD = 50 mmf = 0,03ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 10Δz = 30 mL = 100 m, D = 300 mm, f = 0,0252× Krümmer (K = 0,3)

Zwei offene Behälter sind durch ein 100 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm und einer Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,025 verbunden. Der Wasserspiegel des oberen Behälters liegt 30 m über dem des unteren. Die örtlichen Verluste sind: ein scharfkantiger Einlauf (K = 0,5), 2 Krümmer (je K = 0,3), ein Ventil (K = 10) und der Auslauf in den unteren Behälter (K = 1,0). Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Durchfluss Q in L/s.

Δz = 30 mL = 100 mD = 300 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 80 L/sH = 10 m

Eine Pumpe mit einem Wirkungsgrad von 85 % fördert 80 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 10 m. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme die benötigte Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 80 L/sH = 10 mη = 85%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 75 L/sΔz = 16 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,022, ΣK = 6

Eine Pumpe fördert 75 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) aus einem offenen unteren Behälter in einen oberen Tank, dessen Wasserspiegel 16 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 200 m lang, hat einen Innendurchmesser von 200 mm und eine Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,022; die Beiwerte der örtlichen Verluste ergeben zusammen ΣK = 6 (Einlauf und Auslauf eingeschlossen). Verwende g = 9,81 m/s². Der Pumpenwirkungsgrad beträgt 72 %. Bestimme die Wellenleistung Pshaft in kW.

Q = 75 L/sΔz = 16 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,022ΣK = 6η = 72%
Pshaft = kW

3Lösungen

1.Massenbilanz

Antwort: ṁ2 = 475 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) = 950·(30 − 25)/(25 − 15) = 475 kg/h

Antwort

ṁ2 = 475 kg/h
2.Massenbilanz

Antwort: P = 540 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 = 2700·12/60 = 540 kg/h

Antwort

P = 540 kg/h
3.Energiebilanz

Antwort: tout = 50,14 °C

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

Vom heißen Strom abgegebene Wärme

Q = 2·2,1·(160 − 70) = 378 kW

Vom Wasser aufgenommene Wärme

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 378/(3·4,18) = 50,14 °C

Antwort

tout = 50,14 °C
4.Energiebilanz

Antwort: ṁc = 0,6567 kg/s

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

Abgegebene Wärme

Qh = 1·2,44·(120 − 70) = 122 kW

Wärme, die das Wasser erreicht

Qc = (1 − 0,1)·122 = 109,8 kW

Wasserstrom

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 109,8/(4,18·40) = 0,6567 kg/s

Antwort

ṁc = 0,6567 kg/s
5.Ideales Gasgesetz

Antwort: V = 553,8 L

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

Stoffmenge

n = 500/28,01 = 17,85 mol
T = 100 + 273,15 = 373,1 K

Volumen

V = nRT/P = 17,85·8,314·373,1/100 = 553,8 L

Antwort

V = 553,8 L
6.Ideales Gasgesetz

Antwort: ρ = 9,191 kg/m³

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

Gasgesetz umstellen

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 130 + 273,15 = 403,1 K

Dichte

ρ = 700·44,01/(8,314·403,1) = 9,191 kg/m³

Antwort

ρ = 9,191 kg/m³
7.Stöchiometrie

Antwort: m = 33,01 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(C3H8) = 20/44,1 = 0,4535 mol
n(O2) = 40/32 = 1,25 mol

Limitierender Reaktant

0,4535/1 = 0,4535, 1,25/5 = 0,25 → O2

Masse des Produkts

n(CO2) = 0,25·3 = 0,75 mol
m = 0,75·44,01 = 33,01 g

Antwort

m = 33,01 g
8.Stöchiometrie

Antwort: Y = 78,01 %

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(C3H8) = 30/44,1 = 0,6803 mol
m = 0,6803·4/1·18,02 = 49,03 g

Prozentuale Ausbeute

Y = 38,25/49,03·100 = 78,01%

Antwort

Y = 78,01%
9.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [H2] = 0,02139 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

54 = (2x)²/(0,1 − x)²

Wurzel ziehen

7,348 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·7,348/(2 + 7,348) = 0,07861 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[H₂] = 0,1 − x = 0,02139 mol/L

Antwort

[H2] = 0,02139 mol/L
10.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [PCl5] = 0,4877 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/(0,8 − x) → x² + 0,2·x − 0,16 = 0

Quadratische Gleichung lösen

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,16))/2 = 0,3123 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[PCl₅] = 0,8 − 0,3123 = 0,4877 mol/L

Antwort

[PCl5] = 0,4877 mol/L
11.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: Tf = 23,37 °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

150·0,449·(90 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 18)

Nach der Endtemperatur auflösen

Tf = (67,35·90 + 836·18)/(67,35 + 836) = 23,37 °C

Antwort

Tf = 23,37 °C
12.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: q = 2517 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

Wärme für die gegebene Masse

n = 50/44,1 = 1,134 mol
q = n·|ΔH°/1| = 1,134·2220 = 2517 kJ

Antwort

q = 2517 kJ
13.Reaktionskinetik

Antwort: t½ = 100 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/(0,05·0,2) = 100 min

Antwort

t½ = 100 min

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

14.Reaktionskinetik

Antwort: Ea = 69,99 kJ/mol

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 = 293,1 K, T2 = 313,1 K

Arrhenius nach Ea auflösen

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,834/(-2,179e-4) = 69995 J/mol
Ea = 69,99 kJ/mol

Antwort

Ea = 69,99 kJ/mol
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: V = 458,1 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 − 0,6))/0,08 = 0,9163/0,08 = 11,45 min

Volumen

V = Q·τ = 40·11,45 = 458,1 L

Antwort

V = 458,1 L
16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: X = 87,24 %

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 = 150/10 = 15 min, kτ = 0,12·15 = 1,8

Umsatz

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 1,8) = 0,3571
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,1276
X = 1 − 0,1276 = 87,24%

Antwort

X = 87,24%
17.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: A = 44,63 m²

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 (Gegenstrom)

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 90 − 65 = 25 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 35 − 15 = 20 K

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (25 − 20)/ln(25/20) = 22,41 K

Fläche

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 640000/(800·0,8·22,41) = 44,63 m²

Antwort

A = 44,63 m²
18.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: A = 1,384 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) = 0,5·2,3·45 = 51,75 kW
Tc,out = 30 + 51,75/(2·4,18) = 36,19 °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 = 105 − 36,19 = 68,81 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 60 − 30 = 30 K

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (68,81 − 30)/ln(68,81/30) = 46,75 K

Fläche

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 51750/(800·46,75) = 1,384 m²

Antwort

A = 1,384 m²
19.Wärmeleitung

Antwort: Ti = −8,873 °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)/(0,17·20) = 0,07353 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,72·20) = 0,003472 K/W

Wärmestrom

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 25/0,077 = 324,7 W

Temperatur an der Grenzfläche

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 15 − 324,7·0,07353 = −8,873 °C

Antwort

Ti = −8,873 °C
20.Wärmeleitung

Antwort: U = 0,8385 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/(7,7·10) = 0,01299 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,17·10) = 0,05882 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·10) = 0,04412 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·10) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,1193 K/W

Wärmedurchgangskoeffizient

U = 1/(A·ΣR) = 1/(10·0,1193) = 0,8385 W/(m²·K)

Antwort

U = 0,8385 W/(m²·K)
21.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Δp = 1382 kPa

Rohrströmung: Die Reynolds-Zahl Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ unterscheidet laminare Strömung (Re unter etwa 2000) von turbulenter Strömung (über etwa 4000). Reibung entlang eines Rohrs kostet die Verlusthöhe nach Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Formstücke, Armaturen, Einlauf und Auslauf erzeugen zusätzlich örtliche Verluste hm = ΣK·V²/(2g). Zwischen zwei offenen Wasserspiegeln liefert die Energiegleichung Δz = hf + hm, einschließlich des Auslaufverlusts K = 1.

Verlusthöhe

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(800/0,05)·2,4²/(2·9,81) = 140,9 m

Druckverlust

Das Rohr ist waagerecht und die Geschwindigkeit ändert sich nicht, daher reduziert sich die Energiegleichung auf Δp = ρ·g·hf.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·140,9 = 1,382 × 10⁶ Pa = 1382 kPa

Antwort

Δp = 1382 kPa
22.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Q = 379,4 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 = 0,025·100/0,3 = 8,333
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 + 1,0 = 12,1

Energiegleichung

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

30 = (8,333 + 12,1)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·30/20,43) = 5,367 m/s

Volumenstrom

Q = V·π·D²/4 = 5,367·0,07069 = 0,3794 m³/s = 379,4 L/s

Antwort

Q = 379,4 L/s
23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 9,233 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 = 1000·9,81·0,08·10 = 7,848 kW

Wellenleistung

Pshaft = Ph/η = 7,848/0,85 = 9,233 kW

Antwort

Pshaft = 9,233 kW
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: Pshaft = 24,66 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 = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Verlusthöhen

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (22 + 6)·0,2905 = 8,134 m

Förderhöhe

H = Δz + hL = 16 + 8,134 = 24,13 m

Wellenleistung

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,075·24,13/0,72 = 24,66 kW

Antwort

Pshaft = 24,66 kW

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