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 1800 kg/h · 30% NaOHStrom 2ṁ₂ = ? · 20% NaOHProdukt25% NaOH

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

ṁ1 = 800 kg/hx1 = 30 %x2 = 20 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.MassenbilanzSchwer
VerdampferZulauf F4700 kg/h · 18% 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 = 4700 kg/hxF = 18 %xP = 60 %
P = kg/h
3.EnergiebilanzMittel
heiße Seitekalte SeiteLeichtöl · 150 °C110 °CWasser · 25 °Ct = ? °C

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

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 110 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.EnergiebilanzSchwer
heiße Seitekalte SeiteEthanol · 170 °C120 °CWasser · 10 °C45 °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 = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 120 °Ct: 10 → 45 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Verlust = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ideales GasgesetzMittel
100 g HeP = 300 kPaT = 75 °CV = ?

Welches Volumen V nehmen 100 g He bei 300 kPa und 75 °C ein? Behandle es als ideales Gas.

m = 100 gM = 4,003 g/molP = 300 kPaT = 75 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ideales GasgesetzSchwer
CH₄, M = 16,04 g/molP = 200 kPaT = 180 °Cρ = ?

Bestimme die Dichte ρ von CH₄ bei 200 kPa und 180 °C als ideales Gas.

M = 16,04 g/molP = 200 kPaT = 180 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StöchiometrieMittel
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

20 g H2 und 32 g O2 reagieren nach 2H2 + O2 → 2H2O. Welche Masse m an H2O kann entstehen?

M(H2) = 2,016M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StöchiometrieSchwer
m(Fe2​O3​)n(Fe2​O3​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(Fe2​O3​)× 3/1× M(CO2​)

Bei der Reaktion Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 reagieren 12 g Fe2O3 vollständig (die übrigen Edukte im Überschuss), und es werden 8,43 g CO2 gewonnen. Bestimme die prozentuale Ausbeute Y.

M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(CO2) = 44,01 g/moltatsächlich: 8,43 g
Y = %
9.Chemisches GleichgewichtMittel
H2​I2​HII0,80,80C−x−x+2xE0,8 − x0,8 − x2x

0,8 mol/L H₂ und 0,8 mol/L I₂ werden in einen Behälter gegeben und reagieren: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, mit Kc = 54. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 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 = 0,08 bei der Reaktionstemperatur. Ein Behälter enthält anfangs nur PCl₅ mit 0,8 mol/L. Bestimme die Gleichgewichtskonzentration [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,08
[Cl2] = mol/L
11.Kalorimetrie & EnthalpieMittel
Tf​ = ?Zinkm = 75 gT = 140 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Wasserm = 200 gT = 24 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Ein Block aus Zink mit 75 g (c = 0,388 J/(g·°C)) und einer Temperatur von 140 °C wird in einem isolierten Becher in 200 g Wasser (c = 4,18 J/(g·°C)) von 24 °C gelegt. Bestimme die Endtemperatur Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 140 °Cmwater = 200 gTwater = 24 °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)X (%)t = ?95%

Eine Reaktion zweiter Ordnung (−rA = k·CA²) in einem Satzreaktor hat k = 1 L/(mol·min) und startet bei 1 mol/L. Wie lange dauert es bis zu einem Umsatz von 95 %? Bestimme t.

k = 1 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/LX = 95 %
t = min
14.ReaktionskinetikSchwer
Tk40 °Ck1​?4·k1​

Eine Reaktion hat eine Aktivierungsenergie von 70 kJ/mol. Bei 40 °C ist sie zu langsam. Auf welche Temperatur T2 (in °C) muss man sie erwärmen, damit sie 4-mal schneller abläuft?

Ea = 70 kJ/molT1 = 40 °Ck2/k1 = 4R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Mittel
Q = 50 L/minX = 50%V = ?, k = 0,5 min⁻¹

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung A → B mit k = 0,5 min⁻¹ wird in einem Strömungsrohr (PFR) mit einem Zulauf von 50 L/min durchgeführt. Die Dichte ist konstant, und der Reaktor ist im stationären Zustand. Bestimme das Reaktorvolumen V in Litern für 50 % Umsatz von A.

Q = 50 L/mink = 0,5 min⁻¹X = 50%
V = L
16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)Schwer
V = 1500 LQ = 40 L/minX = ?

Eine Flüssigphasenreaktion erster Ordnung (k = 0,25 min⁻¹) läuft in einem Rührkessel (CSTR) mit 1500 L und einem Zulauf von 40 L/min. Die Dichte ist konstant, und der Reaktor ist im stationären Zustand. Bestimme den Umsatz X in Prozent.

V = 1500 LQ = 40 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
17.Wärmeübertrager (LMTD)Mittel
LängeT170 °C25 °C140 °C10 °CΔT₁ΔT₂Gegenstrom

Ein Rohrbündel-Wärmeübertrager (ein Mantelgang, zwei Rohrgänge) soll 680 kW übertragen. Das heiße Fluid kühlt von 170 auf 25 °C ab, das kalte Fluid erwärmt sich von 10 auf 140 °C. Der LMTD-Korrekturfaktor für diese Anordnung ist F = 0,9, und U = 1000 W/(m²·K). Bestimme die nötige Wärmeübertragungsfläche A.

Q̇ = 680 kWF = 0,9U = 1000 W/(m²·K)Th: 170 → 25 °CTc: 10 → 140 °C
A = m²
18.Wärmeübertrager (LMTD)Schwer
LängeT110 °C65 °C?15 °CΔT₁ΔT₂Gegenstrom

In einem Doppelrohr-Wärmeübertrager im Gegenstrom strömt heißes Öl (0,3 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) im Innenrohr und kühlt von 110 auf 65 °C ab. Wasser (1 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) tritt im Ringspalt mit 15 °C ein. Das Innenrohr hat 40 mm Durchmesser, und U = 150 W/(m²·K) ist auf diesen Durchmesser bezogen. Bestimme die nötige Rohrlänge L.

ṁh = 0,3 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 110 → 65 °Cṁc = 1 kg/sTc,in = 15 °CD = 40 mmU = 150 W/(m²·K)
L = m
19.WärmeleitungMittel
Mineralwolle, k = 0,04250 mmExpandiertes Polystyrol, k = 0,03525 mm20 °C-14 °CTi​ = ?Q̇

Eine Wand besteht aus 250 mm Mineralwolle und 25 mm expandiertes Polystyrol, mit einer Fläche von 20 m². Die Außenflächen haben 20 °C und -14 °C. Bestimme die Temperatur Ti an der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten.

L1 = 250 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 20 °CT3 = -14 °C
Ti = °C
20.WärmeleitungSchwer
Holz, k = 0,17250 mmGlas, k = 0,96150 mmRaum 22 °Caußen 3 °CQ̇ = ?

Eine Wand aus 250 mm Holz und 150 mm Glas trennt einen Raum mit 22 °C von der Außenluft mit 3 °C. Die Wärmeübergangskoeffizienten sind innen 10 W/(m²·K) und außen 25 W/(m²·K), und die Wandfläche beträgt 4 m². Bestimme den Wärmeverlust Q̇ durch die Wand.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 4 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = 3 °C
Q̇ = W
21.Rohrreibung und VerlusthöheMittel
V = 0,8 m/sD = 300 mmL = 150 mf = 0,015

Wasser (ρ = 1000 kg/m³) fließt mit 0,8 m/s durch ein waagerechtes, 150 m langes Rohr mit einem Innendurchmesser von 300 mm. Verwende die Rohrreibungszahl nach Darcy f = 0,015 und g = 9,81 m/s². Bestimme den Druckverlust Δp über das Rohr in kPa.

V = 0,8 m/sL = 150 mD = 300 mmf = 0,015ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Rohrreibung und VerlusthöheSchwer
K = 2Δz = 20 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,0152× 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 = 0,015 verbunden. Der Wasserspiegel des oberen Behälters liegt 20 m über dem des unteren. 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. Bestimme den Durchfluss Q in L/s.

Δz = 20 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pumpen und PumpenleistungMittel
PQ = 30 L/sH = 12 m

In einem Versuch fördert eine Pumpe 30 L/s Wasser (ρ = 1000 kg/m³) gegen eine Förderhöhe von 12 m, während ihre Welle 4,5 kW aufnimmt. Verwende g = 9,81 m/s². Bestimme den Pumpenwirkungsgrad η in Prozent.

Q = 30 L/sH = 12 mPshaft = 4,5 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Pumpen und PumpenleistungSchwer
PQ = 75 L/sΔz = 9 mL = 500 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 9 m höher liegt. Die Rohrleitung ist 500 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. Bestimme die Förderhöhe H, die die Pumpe aufbringen muss.

Q = 75 L/sΔz = 9 mL = 500 mD = 200 mmf = 0,022ΣK = 6
H = m

3Lösungen

1.Massenbilanz

Antwort: ṁ2 = 800 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) = 800·(30 − 25)/(25 − 20) = 800 kg/h

Antwort

ṁ2 = 800 kg/h
2.Massenbilanz

Antwort: P = 1410 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 = 4700·18/60 = 1410 kg/h

Antwort

P = 1410 kg/h
3.Energiebilanz

Antwort: tout = 58,49 °C

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

Vom heißen Strom abgegebene Wärme

Q = 2,5·2,1·(150 − 110) = 210 kW

Vom Wasser aufgenommene Wärme

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 210/(1,5·4,18) = 58,49 °C

Antwort

tout = 58,49 °C
4.Energiebilanz

Antwort: ṁc = 1,876 kg/s

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

Abgegebene Wärme

Qh = 2,5·2,44·(170 − 120) = 305 kW

Wärme, die das Wasser erreicht

Qc = (1 − 0,1)·305 = 274,5 kW

Wasserstrom

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 274,5/(4,18·35) = 1,876 kg/s

Antwort

ṁc = 1,876 kg/s
5.Ideales Gasgesetz

Antwort: V = 241 L

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

Stoffmenge

n = 100/4,003 = 24,98 mol
T = 75 + 273,15 = 348,1 K

Volumen

V = nRT/P = 24,98·8,314·348,1/300 = 241 L

Antwort

V = 241 L
6.Ideales Gasgesetz

Antwort: ρ = 0,8515 kg/m³

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

Gasgesetz umstellen

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 180 + 273,15 = 453,1 K

Dichte

ρ = 200·16,04/(8,314·453,1) = 0,8515 kg/m³

Antwort

ρ = 0,8515 kg/m³
7.Stöchiometrie

Antwort: m = 36,04 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(H2) = 20/2,016 = 9,921 mol
n(O2) = 32/32 = 1 mol

Limitierender Reaktant

9,921/2 = 4,96, 1/1 = 1 → O2

Masse des Produkts

n(H2O) = 1·2 = 2 mol
m = 2·18,02 = 36,04 g

Antwort

m = 36,04 g
8.Stöchiometrie

Antwort: Y = 84,97 %

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(Fe2O3) = 12/159,69 = 0,07515 mol
m = 0,07515·3/1·44,01 = 9,921 g

Prozentuale Ausbeute

Y = 8,43/9,921·100 = 84,97%

Antwort

Y = 84,97%
9.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [H2] = 0,1712 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/(0,8 − x)²

Wurzel ziehen

7,348 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·7,348/(2 + 7,348) = 0,6288 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[H₂] = 0,8 − x = 0,1712 mol/L

Antwort

[H2] = 0,1712 mol/L
10.Chemisches Gleichgewicht

Antwort: [Cl2] = 0,2161 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

0,08 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,08·x − 0,064 = 0

Quadratische Gleichung lösen

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,064))/2 = 0,2161 mol/L

Gleichgewichtskonzentration

[Cl₂] = x = 0,2161 mol/L

Antwort

[Cl2] = 0,2161 mol/L
11.Kalorimetrie & Enthalpie

Antwort: Tf = 27,9 °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

75·0,388·(140 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 24)

Nach der Endtemperatur auflösen

Tf = (29,1·140 + 836·24)/(29,1 + 836) = 27,9 °C

Antwort

Tf = 27,9 °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: t = 19 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).

Konzentration am Ende

CA = 1·(1 − 0,95) = 0,05 mol/L

Integriertes Gesetz zweiter Ordnung

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (20 − 1)/1 = 19 min

Antwort

t = 19 min
14.Reaktionskinetik

Antwort: T2 = 57,02 °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 = 313,1 K

Arrhenius nach T₂ auflösen

1/T2 = 1/313,1 − 8,314·ln(4)/70000 = 3,193 × 10⁻³ − 1,647 × 10⁻⁴ = 3,029 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 330,2 K = 57,02 °C

Antwort

T2 = 57,02 °C
15.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: V = 69,31 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 − 0,5))/0,5 = 0,6931/0,5 = 1,386 min

Volumen

V = Q·τ = 50·1,386 = 69,31 L

Antwort

V = 69,31 L
16.Reaktorauslegung (CSTR und PFR)

Antwort: X = 90,36 %

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 = 1500/40 = 37,5 min, kτ = 0,25·37,5 = 9,375

Umsatz

X = kτ/(1 + kτ) = 9,375/(1 + 9,375) = 90,36%

Antwort

X = 90,36%
17.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: A = 34,91 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 = 170 − 140 = 30 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 25 − 10 = 15 K

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (30 − 15)/ln(30/15) = 21,64 K

Fläche

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 680000/(1000·0,9·21,64) = 34,91 m²

Antwort

A = 34,91 m²
18.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: L = 26,82 m

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Wärmeleistung und Austrittstemperatur des Wassers

Q̇ = 0,3·2,5·(110 − 65) = 33,75 kW
Tc,out = 15 + 33,75/(1·4,18) = 23,07 °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 = 110 − 23,07 = 86,93 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 15 = 50 K

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (86,93 − 50)/ln(86,93/50) = 66,77 K

Fläche und Länge

A = 33750/(150·66,77) = 3,37 m²
L = A/(πD) = 3,37/(π·0,04) = 26,82 m

Antwort

L = 26,82 m
19.Wärmeleitung

Antwort: Ti = −10,51 °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)/(0,04·20) = 0,3125 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,035·20) = 0,03571 K/W

Wärmestrom

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 34/0,3482 = 97,64 W

Temperatur an der Grenzfläche

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

Ti = T1 − Q̇·R1 = 20 − 97,64·0,3125 = −10,51 °C

Antwort

Ti = −10,51 °C
20.Wärmeleitung

Antwort: Q̇ = 43,01 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/(10·4) = 0,025 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,17·4) = 0,3676 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,96·4) = 0,03906 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·4) = 0,01 K/W
ΣR = 0,4417 K/W

Wärmeverlust

Q̇ = (22 − (3))/0,4417 = 43,01 W

Antwort

Q̇ = 43,01 W
21.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Δp = 2,4 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) = 0,015·(150/0,3)·0,8²/(2·9,81) = 0,2446 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 = 1000·9,81·0,2446 = 2400 Pa = 2,4 kPa

Antwort

Δp = 2,4 kPa
22.Rohrreibung und Verlusthöhe

Antwort: Q = 142,4 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 = 0,015·200/0,2 = 15
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

Energiegleichung

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

20 = (15 + 4,1)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·20/19,1) = 4,533 m/s

Volumenstrom

Q = V·π·D²/4 = 4,533·0,03142 = 0,1424 m³/s = 142,4 L/s

Antwort

Q = 142,4 L/s
23.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: η = 78,48 %

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 = 1000·9,81·0,03·12 = 3,532 kW

Wirkungsgrad

η = Ph/Pshaft = 3,532/4,5 = 78,48%

Antwort

η = 78,48%
24.Pumpen und Pumpenleistung

Antwort: H = 26,72 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) = (55 + 6)·0,2905 = 17,72 m

Förderhöhe

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

H = Δz + hL = 9 + 17,72 = 26,72 m

Antwort

H = 26,72 m

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