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 25 % NaOH enthält? Bestimme ṁ2.
ṁ1 = 450 kg/hx1 = 30 %x2 = 15 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.MassenbilanzSchwer
Ein Verdampfer konzentriert eine Lösung von Zucker, indem er reines Wasser abdampft. Bestimme den Produktstrom P in kg/h.
F = 3700 kg/hxF = 7 %xP = 65 %
P = kg/h
3.EnergiebilanzMittel
Heißes Glykolgemisch kühlt Wasser in einem Gegenstrom-Wärmeübertrager ohne Wärmeverlust. Bestimme die Austrittstemperatur des Wassers tout.
ṁh = 1 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 120 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.EnergiebilanzSchwer
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 = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 140 °Ct: 15 → 50 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Verlust = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ideales GasgesetzMittel
Welches Volumen V nehmen 250 g He bei 250 kPa und 20 °C ein? Behandle es als ideales Gas.
m = 250 gM = 4,003 g/molP = 250 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ideales GasgesetzSchwer
Eine feste Menge He geht von 400 kPa, 2 L, 10 °C über zu 400 kPa und 120 °C. Bestimme das neue Volumen V2.
P1 = 400 kPaV1 = 2 LT1 = 10 °CP2 = 400 kPaT2 = 120 °C
V2 = L
7.StöchiometrieMittel
30 g C3H8 und 8 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
Bei der Reaktion CaCO3 → CaO + CO2 reagieren 12 g CaCO3 vollständig (die übrigen Edukte im Überschuss), und es werden 6,12 g CaO gewonnen. Bestimme die prozentuale Ausbeute Y.
M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CaO) = 56,08 g/moltatsächlich: 6,12 g
Y = %
3Lösungen
1.Massenbilanz
Antwort: ṁ2 = 225 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) = 450·(30 − 25)/(25 − 15) = 225 kg/h
Antwort
ṁ2 = 225 kg/h
2.Massenbilanz
Antwort: P = 398,5 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 = 3700·7/65 = 398,5 kg/h
Antwort
P = 398,5 kg/h
3.Energiebilanz
Antwort: tout = 133,3 °C
Energiebilanz des Wärmeübertragers: Ohne Verluste gilt ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Vom heißen Strom abgegebene Wärme
Q = 1·3,6·(180 − 120) = 216 kW
Vom Wasser aufgenommene Wärme
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 216/(0,5·4,18) = 133,3 °C
Antwort
tout = 133,3 °C
4.Energiebilanz
Antwort: ṁc = 0,7751 kg/s
Energiebilanz mit Verlusten: abgegebene Wärme = aufgenommene Wärme + Wärmeverlust.
Abgegebene Wärme
Qh = 1,5·2,1·(180 − 140) = 126 kW
Wärme, die das Wasser erreicht
Qc = (1 − 0,1)·126 = 113,4 kW
Wasserstrom
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 113,4/(4,18·35) = 0,7751 kg/s
Antwort
ṁc = 0,7751 kg/s
5.Ideales Gasgesetz
Antwort: V = 608,9 L
Ideales Gasgesetz: PV = nRT, mit n = m/M.
Stoffmenge
n = 250/4,003 = 62,45 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K
Volumen
V = nRT/P = 62,45·8,314·293,1/250 = 608,9 L
Antwort
V = 608,9 L
6.Ideales Gasgesetz
Antwort: V2 = 2,777 L
Allgemeine Gasgleichung: Für eine feste Menge eines idealen Gases gilt P1V1/T1 = P2V2/T2.
Absolute Temperaturen
T1 = 283,1 K, T2 = 393,1 K
Allgemeine Gasgleichung
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(400/400)·(393,1/283,1) = 2,777 L
Antwort
V2 = 2,777 L
7.Stöchiometrie
Antwort: m = 6,602 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) = 30/44,1 = 0,6803 mol
n(O2) = 8/32 = 0,25 mol
Limitierender Reaktant
0,6803/1 = 0,6803, 0,25/5 = 0,05 → O2
Masse des Produkts
n(CO2) = 0,05·3 = 0,15 mol
m = 0,15·44,01 = 6,602 g
Antwort
m = 6,602 g
8.Stöchiometrie
Antwort: Y = 91,02 %
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(CaCO3) = 12/100,09 = 0,1199 mol
m = 0,1199·1/1·56,08 = 6,724 g
Prozentuale Ausbeute
Y = 6,12/6,724·100 = 91,02%
Antwort
Y = 91,02%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances