Stoff- und Energiebilanzen: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 8 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

Neue AufgabenZurück zum Kurs

Wähle im Druckfenster „Als PDF speichern“, um eine Kopie auf deinem Gerät zu behalten.

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.

2Übungsaufgaben

1.MassenbilanzMittel
MischerStrom 1900 kg/h · 20% NaOHStrom 2ṁ₂ = ? · 35% NaOHProdukt30% NaOH

Wie viel von Strom 2 muss stündlich zu Strom 1 gegeben werden, damit das Gemisch 30 % NaOH enthält? Bestimme ṁ2.

ṁ1 = 900 kg/hx1 = 20 %x2 = 35 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.MassenbilanzSchwer
VerdampferZulauf F2900 kg/h · 16% NaOHProdukt PP = ? · 65%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 = 2900 kg/hxF = 16 %xP = 65 %
P = kg/h
3.EnergiebilanzMittel
heiße Seitekalte SeiteGlykolgemisch · 130 °C70 °CWasser · 15 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 130 → 70 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.EnergiebilanzSchwer
heiße Seitekalte SeiteLeichtöl · 180 °C150 °CWasser · 20 °C45 °C · ṁ = ?5 % Verlust

Heißes Leichtöl erwärmt Wasser in einem Wärmeübertrager, der 5 % der vom heißen Strom abgegebenen Wärme an die Umgebung verliert. Bestimme den nötigen Wasserstrom ṁc.

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 150 °Ct: 20 → 45 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Verlust = 5 %
ṁc = kg/s
5.Ideales GasgesetzMittel
200 g N₂P = 250 kPaT = 10 °CV = ?

Welches Volumen V nehmen 200 g N₂ bei 250 kPa und 10 °C ein? Behandle es als ideales Gas.

m = 200 gM = 28,01 g/molP = 250 kPaT = 10 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ideales GasgesetzSchwer
CH₄, M = 16,04 g/molP = 450 kPaT = 20 °Cρ = ?

Bestimme die Dichte ρ von CH₄ bei 450 kPa und 20 °C als ideales Gas.

M = 16,04 g/molP = 450 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StöchiometrieMittel
m(X)n(X)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(X)× 2/ν× M(AlCl3​)

12 g Al und 10 g Cl2 reagieren nach 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3. Welche Masse m an AlCl3 kann entstehen?

M(Al) = 26,98M(Cl2) = 70,9M(AlCl3) = 133,33 g/mol
m = g
8.StöchiometrieSchwer
m(C6​H12​O6​)n(C6​H12​O6​)n(C2​H5​OH)m(C2​H5​OH)÷ M(C6​H12​O6​)× 2/1× M(C2​H5​OH)

Bei der Reaktion C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 reagieren 10 g C6H12O6 vollständig (die übrigen Edukte im Überschuss), und es werden 4,65 g C2H5OH gewonnen. Bestimme die prozentuale Ausbeute Y.

M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(C2H5OH) = 46,07 g/moltatsächlich: 4,65 g
Y = %

3Lösungen

1.Massenbilanz

Antwort: ṁ2 = 1800 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) = 900·(20 − 30)/(30 − 35) = 1800 kg/h

Antwort

ṁ2 = 1800 kg/h
2.Massenbilanz

Antwort: P = 713,8 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 = 2900·16/65 = 713,8 kg/h

Antwort

P = 713,8 kg/h
3.Energiebilanz

Antwort: tout = 66,67 °C

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

Vom heißen Strom abgegebene Wärme

Q = 1,5·3,6·(130 − 70) = 324 kW

Vom Wasser aufgenommene Wärme

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 324/(1,5·4,18) = 66,67 °C

Antwort

tout = 66,67 °C
4.Energiebilanz

Antwort: ṁc = 1,432 kg/s

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

Abgegebene Wärme

Qh = 2,5·2,1·(180 − 150) = 157,5 kW

Wärme, die das Wasser erreicht

Qc = (1 − 0,05)·157,5 = 149,6 kW

Wasserstrom

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 149,6/(4,18·25) = 1,432 kg/s

Antwort

ṁc = 1,432 kg/s
5.Ideales Gasgesetz

Antwort: V = 67,24 L

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

Stoffmenge

n = 200/28,01 = 7,14 mol
T = 10 + 273,15 = 283,1 K

Volumen

V = nRT/P = 7,14·8,314·283,1/250 = 67,24 L

Antwort

V = 67,24 L
6.Ideales Gasgesetz

Antwort: ρ = 2,962 kg/m³

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

Gasgesetz umstellen

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 20 + 273,15 = 293,1 K

Dichte

ρ = 450·16,04/(8,314·293,1) = 2,962 kg/m³

Antwort

ρ = 2,962 kg/m³
7.Stöchiometrie

Antwort: m = 12,54 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(Al) = 12/26,98 = 0,4448 mol
n(Cl2) = 10/70,9 = 0,141 mol

Limitierender Reaktant

0,4448/2 = 0,2224, 0,141/3 = 0,04701 → Cl2

Masse des Produkts

n(AlCl3) = 0,04701·2 = 0,09403 mol
m = 0,09403·133,33 = 12,54 g

Antwort

m = 12,54 g
8.Stöchiometrie

Antwort: Y = 90,92 %

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(C6H12O6) = 10/180,16 = 0,05551 mol
m = 0,05551·2/1·46,07 = 5,114 g

Prozentuale Ausbeute

Y = 4,65/5,114·100 = 90,92%

Antwort

Y = 90,92%

ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances