Massenbilanz
- Stationärer Zustand
- Eingang = Ausgang
- Gesamtbilanz
- ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
- Komponentenbilanz
- ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
- Verdampfer
- F·xF = P·xP, W = F − P
Stoff- und Energiebilanzen: Lernpaket
Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 8 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.
1Formeln und Methoden
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
- Stelle die Reaktionsgleichung auf und gleiche sie aus.
- Rechne die gegebene Masse in Stoffmenge um: n = m/M.
- Verwende die Koeffizienten als Stoffmengenverhältnis, um die Stoffmenge des gesuchten Stoffs zu bestimmen.
- Rechne mit m = n·M wieder in eine Masse um. Bei zwei Edukten bestimmst du zuerst den limitierenden Reaktanten.
2Übungsaufgaben
1.MassenbilanzMittel
Wie viel von Strom 2 muss stündlich zu Strom 1 gegeben werden, damit das Gemisch 40 % Salz enthält? Bestimme ṁ2.
ṁ1 = 950 kg/hx1 = 20 %x2 = 50 %x3 = 40 %
ṁ2 = kg/h
2.MassenbilanzSchwer
Ein Verdampfer konzentriert eine Lösung von Salz, indem er reines Wasser abdampft. Bestimme den Produktstrom P in kg/h.
F = 4000 kg/hxF = 7 %xP = 40 %
P = kg/h
3.EnergiebilanzMittel
Heißes Ethanol kühlt Wasser in einem Gegenstrom-Wärmeübertrager ohne Wärmeverlust. Bestimme die Austrittstemperatur des Wassers tout.
ṁh = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 70 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.EnergiebilanzSchwer
Heißes Glykolgemisch erwärmt Wasser in einem Wärmeübertrager, der 5 % der vom heißen Strom abgegebenen Wärme an die Umgebung verliert. Bestimme den nötigen Wasserstrom ṁc.
ṁh = 0,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 160 → 70 °Ct: 10 → 40 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Verlust = 5 %
ṁc = kg/s
5.Ideales GasgesetzMittel
Ein Behälter mit 20 L enthält 40 g O₂ bei 100 °C. Behandle es als ideales Gas und bestimme den Druck P.
m = 40 gM = 32 g/molV = 20 LT = 100 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ideales GasgesetzSchwer
Eine feste Menge CH₄ geht von 100 kPa, 5 L, 35 °C über zu 200 kPa und 120 °C. Bestimme das neue Volumen V2.
P1 = 100 kPaV1 = 5 LT1 = 35 °CP2 = 200 kPaT2 = 120 °C
V2 = L
7.StöchiometrieMittel
10 g N2 und 8 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
Bei der Reaktion 2Na + Cl2 → 2NaCl reagieren 6 g Na vollständig (die übrigen Edukte im Überschuss), und es werden 9,46 g NaCl gewonnen. Bestimme die prozentuale Ausbeute Y.
M(Na) = 22,99 g/molM(NaCl) = 58,44 g/moltatsächlich: 9,46 g
Y = %
3Lösungen
1.Massenbilanz
Antwort: ṁ2 = 1900 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) = 950·(20 − 40)/(40 − 50) = 1900 kg/h
Antwort
ṁ2 = 1900 kg/h
2.Massenbilanz
Antwort: P = 700 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 = 4000·7/40 = 700 kg/h
Antwort
P = 700 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 = 1·2,44·(140 − 70) = 170,8 kW
Vom Wasser aufgenommene Wärme
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 170,8/(3·4,18) = 23,62 °C
Antwort
tout = 23,62 °C
4.Energiebilanz
Antwort: ṁc = 1,227 kg/s
Energiebilanz mit Verlusten: abgegebene Wärme = aufgenommene Wärme + Wärmeverlust.
Abgegebene Wärme
Qh = 0,5·3,6·(160 − 70) = 162 kW
Wärme, die das Wasser erreicht
Qc = (1 − 0,05)·162 = 153,9 kW
Wasserstrom
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 153,9/(4,18·30) = 1,227 kg/s
Antwort
ṁc = 1,227 kg/s
5.Ideales Gasgesetz
Antwort: P = 193,9 kPa
Ideales Gasgesetz: PV = nRT, mit n = m/M.
Stoffmenge
n = m/M = 40/32 = 1,25 mol
T = 100 + 273,15 = 373,1 K
Druck
P = nRT/V = 1,25·8,314·373,1/0,02 = 193,9 kPa
Antwort
P = 193,9 kPa
6.Ideales Gasgesetz
Antwort: V2 = 3,19 L
Allgemeine Gasgleichung: Für eine feste Menge eines idealen Gases gilt P1V1/T1 = P2V2/T2.
Absolute Temperaturen
T1 = 308,1 K, T2 = 393,1 K
Allgemeine Gasgleichung
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(100/200)·(393,1/308,1) = 3,19 L
Antwort
V2 = 3,19 L
7.Stöchiometrie
Antwort: m = 12,16 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) = 10/28,02 = 0,3569 mol
n(H2) = 8/2,016 = 3,968 mol
Limitierender Reaktant
0,3569/1 = 0,3569, 3,968/3 = 1,323 → N2
Masse des Produkts
n(NH3) = 0,3569·2 = 0,7138 mol
m = 0,7138·17,03 = 12,16 g
Antwort
m = 12,16 g
8.Stöchiometrie
Antwort: Y = 62,03 %
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(Na) = 6/22,99 = 0,261 mol
m = 0,261·2/2·58,44 = 15,25 g
Prozentuale Ausbeute
Y = 9,46/15,25·100 = 62,03%
Antwort
Y = 62,03%
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