Oefenen voor het FE Chemical-examen: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 24 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgaven Terug naar het vak

Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.

1Formules en methoden

Massabalans

Stationaire toestand: in = uit
Totaalbalans: ṁ₁ + ṁ₂ = ṁ₃
Componentenbalans: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = ṁ₃x₃
Verdamper: F·x_F = P·x_P, W = F − P

Energiebalans

Voelbare warmte: Q = ṁ·c_p·ΔT
Latente warmte: Q = ṁ·h_fg
Mengen: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Water: c_p ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Ideale gaswet

Ideale gaswet: pV = nRT
Gasconstante: R = 8,314 J/(mol·K)
Algemene gaswet: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
Mol: n = m/M
Temperatuur: T[K] = T[°C] + 273,15

Stoichiometrie

Mol: n = m/M
Concentratie: c = n/V
Molverhouding: gebruik de coëfficiënten van de kloppende reactievergelijking
Beperkende reactant: degene die het eerst op is
Rendement: werkelijk / theoretisch × 100%

Methode

Schrijf de reactievergelijking op en maak hem kloppend.
Reken de gegeven massa om naar mol: n = m/M.
Gebruik de coëfficiënten als molverhouding om de mol van de gezochte stof te vinden.
Reken terug naar massa met m = n·M. Bepaal bij twee reactanten eerst de beperkende reactant.

Chemisch evenwicht

Evenwichtsconstante: K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b)
ICE-tabel: Begin, Verandering (×coëfficiënt), Evenwicht
Vierkantsvergelijking: x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Methode

Schrijf K_c als producten gedeeld door reactanten, elk tot de macht van zijn coëfficiënt.
Maak een BOE-tabel (ICE): Begin, Omzetting (in stappen van x maal de coëfficiënten), Evenwicht.
Vul de evenwichtsuitdrukkingen in K_c in en los op naar x.
Controleer of x klein genoeg is voor een benadering; los anders de vierkantsvergelijking op.

Calorimetrie en enthalpie

Warmte: q = m·c·ΔT
Water: c = 4,18 J/(g·°C)
Calorimeter: afgestane warmte = opgenomen warmte
Reactie-enthalpie: ΔH° = ΣΔH°_f(products) − ΣΔH°_f(reactants)

Reactiekinetiek

Eerste orde: ln(C_A/C_A0) = −kt
Halveringstijd (eerste orde): t_½ = ln 2/k
Tweede orde: 1/C_A = 1/C_A0 + kt
Arrhenius: k = A·e^−E_a/(RT)
Twee temperaturen: ln(k₂/k₁) = (E_a/R)(1/T₁ − 1/T₂)

Reactordimensionering (CSTR en PFR)

Verblijftijd: τ = V/Q
CSTR, eerste orde: τ = X/(k·(1 − X)), C_A = C_A0/(1 + kτ)
PFR, eerste orde: τ = ln(1/(1 − X))/k, C_A = C_A0·e^−kτ
Conversie uit het volume: CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e^−kτ
N gelijke CSTR’s in serie: X = 1 − 1/(1 + kτ_i)^N

Warmtewisselaars (LMTD)

Warmtevermogen: Q = U·A·ΔT_lm
Logaritmisch gemiddeld temperatuurverschil: ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
Balans van een stroom: Q = ṁc_p(T_in − T_out)

Warmtegeleiding

Wet van Fourier: Q̇ = kAΔT/L
Geleidingsweerstand: R = L/(kA)
Convectieweerstand: R = 1/(hA)
Weerstanden in serie: Q̇ = ΔT_total/ΣR
U-waarde: U = 1/(ΣR·A)

Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Getal van Reynolds: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Stromingsregime: laminair onder Re ≈ 2000, turbulent boven Re ≈ 4000
Gemiddelde snelheid: V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
Plaatselijke verliezen: h_m = ΣK·V²/(2g)
Gangbare K-waarden: intrede 0,5, uittrede 1,0, bocht van 90° ≈ 0,3
Drukval: Δp = ρ·g·h_f
Twee open reservoirs: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Vrije uitstroming: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Pompen en pompvermogen

Hydraulisch vermogen: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Asvermogen: P_shaft = P_h/η_pump
Elektrisch vermogen: P_el = P_shaft/η_motor
Opvoerhoogte van de pomp: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
Systeemverliezen: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Oefenopgaven

1.MassabalansGemiddeld

Hoeveel van stroom 2 moet er per uur aan stroom 1 worden toegevoegd zodat het mengsel 25% NaOH bevat? Vind ṁ₂.

ṁ₁ = 750 kg/hx₁ = 40 %x₂ = 15 %x₃ = 25 %

ṁ₂ = kg/h

2.MassabalansMoeilijk

Een verdamper concentreert een zoutoplossing door zuiver water te verdampen. Vind het productdebiet P in kg/h.

F = 5000 kg/hx_F = 20 %x_P = 35 %

P = kg/h

3.EnergiebalansGemiddeld

Warme glycolmengsel koelt water in een tegenstroomwarmtewisselaar zonder warmteverlies. Vind de uittredetemperatuur van het water t_out.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 90 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 10 °C

t_out = °C

4.EnergiebalansMoeilijk

Warme glycolmengsel verwarmt water in een warmtewisselaar die 5% van de door de warme stroom afgegeven warmte aan de omgeving verliest. Vind het benodigde waterdebiet ṁ_c.

ṁ_h = 1,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 60 °Ct: 10 → 50 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)verlies = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Ideale gaswetGemiddeld

Een tank van 20 L bevat 300 g O₂ bij 10 °C. Behandel het als een ideaal gas en vind de druk P.

m = 300 gM = 32 g/molV = 20 LT = 10 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Ideale gaswetMoeilijk

Vind de dichtheid ρ van Ar bij 800 kPa en 40 °C, als ideaal gas.

M = 39,95 g/molP = 800 kPaT = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StoichiometrieGemiddeld

8 g Fe₂O₃ en 16 g CO reageren volgens Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Hoeveel massa m CO₂ kan er ontstaan?

M(Fe₂O₃) = 159,69M(CO) = 28,01M(CO₂) = 44,01 g/mol

m = g

8.StoichiometrieMoeilijk

Bij de reactie C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O reageert 12 g C₃H₈ volledig (de andere beginstoffen in overmaat) en wordt 29,46 g CO₂ opgevangen. Bereken het rendement Y.

M(C₃H₈) = 44,1 g/molM(CO₂) = 44,01 g/molwerkelijk: 29,46 g

Y = %

9.Chemisch evenwichtGemiddeld

0,1 mol/L H₂ en 0,1 mol/L I₂ worden in een vat gebracht en reageren: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, met K_c = 4. Bereken de evenwichtsconcentratie [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LK_c = 4

[HI] = mol/L

10.Chemisch evenwichtMoeilijk

PCl₅ ontleedt: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, met K_c = 0,04 bij de reactietemperatuur. Een vat bevat aan het begin alleen 0,4 mol/L PCl₅. Bereken de evenwichtsconcentratie [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LK_c = 0,04

[PCl₅] = mol/L

11.Calorimetrie en enthalpieGemiddeld

Een blok koper van 250 g (c = 0,385 J/(g·°C)) met een temperatuur van 190 °C wordt in een geïsoleerde beker met 400 g water (c = 4,18 J/(g·°C)) van 15 °C gelegd. Bereken de eindtemperatuur T_f.

m_metal = 250 gc_metal = 0,385 J/(g·°C)T_metal = 190 °Cm_water = 400 gT_water = 15 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Calorimetrie en enthalpieMoeilijk

Gebruik de standaardvormingsenthalpieën om de warmte q te berekenen die vrijkomt als 25 g C₂H₅OH (M = 46,07 g/mol) volledig verbrandt: C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l). Geef q als positief getal.

ΔH°f(C₂H₅OH) = −277,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

q = kJ

13.ReactiekinetiekGemiddeld

Een reactie met snelheidsvergelijking −r_A = k·C_A² heeft k = 0,1 L/(mol·min) en begint bij 1 mol/L. Vind de concentratie C_A na 30 min.

k = 0,1 L/(mol·min)C_A0 = 1 mol/Lt = 30 min

C_A = mol/L

14.ReactiekinetiekMoeilijk

Een eerste-orde reactie heeft een snelheidsconstante van 0,1 s⁻¹ bij 25 °C en een activeringsenergie van 70 kJ/mol. Vind de pre-exponentiële factor A in de vergelijking van Arrhenius.

k = 0,1 s⁻¹T = 25 °CE_a = 70 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)

A = s⁻¹

15.Reactordimensionering (CSTR en PFR)Gemiddeld

Een eerste-orde vloeistoffasereactie A → B met k = 0,1 min⁻¹ wordt uitgevoerd in een propstroomreactor (PFR) met een voeding van 100 L/min. De dichtheid is constant en de reactor is in stationaire toestand. Vind het reactorvolume V in liter voor 50% conversie van A.

Q = 100 L/mink = 0,1 min⁻¹X = 50%

V = L

16.Reactordimensionering (CSTR en PFR)Moeilijk

Een eerste-orde vloeistoffasereactie (k = 0,08 min⁻¹) verloopt in twee gelijke CSTR’s in serie, elk van 150 L. Het voedingsdebiet is 50 L/min, de dichtheid is constant en de reactoren zijn in stationaire toestand. Vind de totale conversie X in procent.

V = 150 L (×2)Q = 50 L/mink = 0,08 min⁻¹

X = %

17.Warmtewisselaars (LMTD)Gemiddeld

Een pijpenbundelwarmtewisselaar (één mantelgang, twee buisgangen) moet 510 kW overdragen. De warme vloeistof koelt af van 105 tot 70 °C en de koude vloeistof warmt op van 20 tot 40 °C. De LMTD-correctiefactor voor deze opstelling is F = 0,9, en U = 300 W/(m²·K). Vind het benodigde warmtewisselend oppervlak A.

Q̇ = 510 kWF = 0,9U = 300 W/(m²·K)T_h: 105 → 70 °CT_c: 20 → 40 °C

A = m²

18.Warmtewisselaars (LMTD)Moeilijk

Warme olie (2 kg/s, c_p = 2,5 kJ/(kg·K)) koelt af van 100 tot 30 °C in een tegenstroomwarmtewisselaar. Ze verwarmt 1 kg/s water (c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) dat binnenkomt op 10 °C. Met U = 200 W/(m²·K), vind het benodigde warmtewisselend oppervlak A.

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 2,5 kJ/(kg·K)T_h: 100 → 30 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 10 °CU = 200 W/(m²·K)

A = m²

19.WarmtegeleidingGemiddeld

Een wand bestaat uit 100 mm baksteen en 50 mm minerale wol, met een oppervlak van 12 m². De buitenzijden zijn 21 °C en 0 °C. Vind de warmtestroom Q̇ door de wand.

L₁ = 100 mm, k₁ = 0,72 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0,04 W/(m·K)A = 12 m²T₁ = 21 °CT₃ = 0 °C

Q̇ = W

20.WarmtegeleidingMoeilijk

Een wand van 200 mm geëxpandeerd polystyreen en 100 mm gipsplaat scheidt een kamer van 22 °C van de buitenlucht van 2 °C. De warmteoverdrachtscoëfficiënten zijn 10 W/(m²·K) binnen en 25 W/(m²·K) buiten, en het wandoppervlak is 15 m². Vind het warmteverlies Q̇ door de wand.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0,035 W/(m·K)L₂ = 100 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 15 m²h_i = 10 W/(m²·K)h_o = 25 W/(m²·K)T_room = 22 °CT_out = 2 °C

Q̇ = W

21.Leidingwrijving en drukhoogteverliesGemiddeld

Water stroomt met 40 L/s door een leiding van 1000 m lang met een binnendiameter van 300 mm. Gebruik de Darcy-wrijvingsfactor f = 0,02 en g = 9,81 m/s². Vind het wrijvingsverlies h_f.

Q = 40 L/sL = 1000 mD = 300 mmf = 0,02g = 9,81 m/s²

h_f = m

22.Leidingwrijving en drukhoogteverliesMoeilijk

Een leiding van 300 m lang met een binnendiameter van 300 mm (Darcy-wrijvingsfactor f = 0,015) loopt vanuit een open reservoir en stroomt als vrije straal uit in de lucht. De plaatselijke verliezen zijn een scherpe intrede (K = 0,5), 2 bochten (K = 0,3 per stuk) en een afsluiter (K = 10). Gebruik g = 9,81 m/s². Hoe hoog H moet het reservoiroppervlak boven de uitstroomopening liggen voor een debiet van 80 L/s?

Q = 80 L/sL = 300 mD = 300 mmf = 0,015K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×2)K_valve = 10

H = m

23.Pompen en pompvermogenGemiddeld

Bij een test levert een pomp 20 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) tegen een opvoerhoogte van 40 m, terwijl de as 9,8 kW opneemt. Gebruik g = 9,81 m/s². Vind het pomprendement η in procent.

Q = 20 L/sH = 40 mP_shaft = 9,8 kWg = 9,81 m/s²

η = %

24.Pompen en pompvermogenMoeilijk

Een pomp verplaatst 25 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) van een open lager reservoir naar een hoger gelegen tank waarvan het wateroppervlak 6 m hoger ligt. De leiding is 100 m lang met een binnendiameter van 150 mm en een Darcy-wrijvingsfactor f = 0,018; de coëfficiënten voor plaatselijke verliezen tellen op tot ΣK = 8 (intrede en uittrede inbegrepen). Gebruik g = 9,81 m/s². De bovenste tank is gesloten en de lucht boven het water staat op een overdruk van 350 kPa. Vind de opvoerhoogte H die de pomp moet toevoegen.

Q = 25 L/sΔz = 6 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,018ΣK = 8p_tank = 350 kPa

H = m

3Oplossingen

1.Massabalans

Antwoord: ṁ₂ = 1125 kg/h

Stationaire massabalans: in = uit voor het totaal en voor elke component. Mengproblemen combineren beide.

Balansen

Total: ṁ₃ = ṁ₁ + ṁ₂

NaOH: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

Los op naar ṁ₂

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 750·(40 − 25)/(25 − 15) = 1125 kg/h

Antwoord

ṁ₂ = 1125 kg/h

2.Massabalans

Antwoord: P = 2857 kg/h

Sleutelcomponent: een component die onveranderd in één stroom meegaat (hier de opgeloste stof) koppelt de debieten direct. De totaalbalans geeft dan de rest.

Balans van de opgeloste stof

F·x_F = P·x_P → P = 5000·20/35 = 2857 kg/h

Antwoord

P = 2857 kg/h

3.Energiebalans

Antwoord: t_out = 30,1 °C

Energiebalans van de warmtewisselaar: zonder verliezen geldt ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Warmte afgegeven door de warme stroom

Q = 1·3,6·(160 − 90) = 252 kW

Warmte opgenomen door het water

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 10 + 252/(3·4,18) = 30,1 °C

Antwoord

t_out = 30,1 °C

4.Energiebalans

Antwoord: ṁ_c = 2,148 kg/s

Energiebalans met verliezen: afgegeven warmte = opgenomen warmte + verloren warmte.

Afgegeven warmte

Q_h = 1,5·3,6·(130 − 60) = 378 kW

Warmte die het water bereikt

Q_c = (1 − 0,05)·378 = 359,1 kW

Waterdebiet

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 359,1/(4,18·40) = 2,148 kg/s

Antwoord

ṁ_c = 2,148 kg/s

5.Ideale gaswet

Antwoord: P = 1103 kPa

Ideale gaswet: PV = nRT, met n = m/M.

Mol

n = m/M = 300/32 = 9,375 mol

T = 10 + 273,15 = 283,1 K

Druk

P = nRT/V = 9,375·8,314·283,1/0,02 = 1103 kPa

Antwoord

P = 1103 kPa

6.Ideale gaswet

Antwoord: ρ = 12,28 kg/m³

Dichtheid van een ideaal gas: ρ = PM/(RT).

Herschrijf de gaswet

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 40 + 273,15 = 313,1 K

Dichtheid

ρ = 800·39,95/(8,314·313,1) = 12,28 kg/m³

Antwoord

ρ = 12,28 kg/m³

7.Stoichiometrie

Antwoord: m = 6,614 g

Stoichiometrie: een kloppende reactievergelijking telt deeltjes, geen grammen. Reken massa om naar mol met n = m/M, gebruik de coëfficiënten als molverhouding en reken terug met m = n·M. Bij twee beginstoffen is de beperkende reactant de stof die het eerst op is en bepaalt hoeveel product ontstaat.

Mol van elke beginstof

n(Fe₂O₃) = 8/159,69 = 0,0501 mol

n(CO) = 16/28,01 = 0,5712 mol

Beperkende reactant

0,0501/1 = 0,0501, 0,5712/3 = 0,1904 → Fe₂O₃

Massa product

n(CO₂) = 0,0501·3 = 0,1503 mol

m = 0,1503·44,01 = 6,614 g

Antwoord

m = 6,614 g

8.Stoichiometrie

Antwoord: Y = 82 %

Theoretische opbrengst

n(C₃H₈) = 12/44,1 = 0,2721 mol

m = 0,2721·3/1·44,01 = 35,93 g

Rendement

Y = 29,46/35,93·100 = 82%

Antwoord

Y = 82%

9.Chemisch evenwicht

Antwoord: [HI] = 0,1 mol/L

Chemisch evenwicht: voor aA + bB ⇌ cC + dD is de evenwichtsconstante K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b), met de concentraties bij evenwicht. Een ICE-tabel (Begin, Verandering, Evenwicht) koppelt de beginhoeveelheden aan de evenwichtshoeveelheden via één onbekende x, vermenigvuldigd met de coëfficiënten.

Evenwichtsvoorwaarde

4 = (2x)²/(0,1 − x)²

Neem de wortel

2 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·2/(2 + 2) = 0,05 mol/L

Evenwichtsconcentratie

[HI] = 2x = 0,1 mol/L

Antwoord

[HI] = 0,1 mol/L

10.Chemisch evenwicht

Antwoord: [PCl₅] = 0,2919 mol/L

Evenwichtsvoorwaarde

0,04 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,04·x − 0,016 = 0

Los de vierkantsvergelijking op

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,016))/2 = 0,1081 mol/L

Evenwichtsconcentratie

[PCl₅] = 0,4 − 0,1081 = 0,2919 mol/L

Antwoord

[PCl₅] = 0,2919 mol/L

11.Calorimetrie en enthalpie

Antwoord: T_f = 24,53 °C

Warmte en enthalpie: om een stof te verwarmen is q = m·c·ΔT nodig. In een calorimeter is de warmte die het warme voorwerp afstaat gelijk aan de warmte die het koude opneemt. De enthalpieverandering van een reactie volgt uit de vormingsenthalpieën: ΔH° = ΣΔH°f(producten) − ΣΔH°f(beginstoffen), elk vermenigvuldigd met de coëfficiënt.

Warmtebalans

250·0,385·(190 − T_f) = 400·4,18·(T_f − 15)

Los de eindtemperatuur op

T_f = (96,25·190 + 1672·15)/(96,25 + 1672) = 24,53 °C

Antwoord

T_f = 24,53 °C

12.Calorimetrie en enthalpie

Antwoord: q = 741,6 kJ

Reactie-enthalpie

ΔH° = [2·(−393,5) + 3·(−285,8)] − [1·(−277,7) + 3·0] = −1367 kJ

Warmte voor de gegeven massa

n = 25/46,07 = 0,5427 mol

q = n·|ΔH°/1| = 0,5427·1367 = 741,6 kJ

Antwoord

q = 741,6 kJ

13.Reactiekinetiek

Antwoord: C_A = 0,25 mol/L

Reactiesnelheden: voor een eerste-orde reactie geldt −dC/dt = kC, dus C = C₀·e^−kt en de halveringstijd ln 2/k hangt niet af van de concentratie. Voor een tweede-orde reactie geldt 1/C = 1/C₀ + kt. De snelheidsconstante stijgt met de temperatuur volgens Arrhenius: k = A·e^−Ea/(RT).

Geïntegreerde tweede-orde vergelijking

1/C_A = 1/C_A0 + kt = 1 + 0,1·30 = 4 L/mol

C_A = 1/4 = 0,25 mol/L

Antwoord

C_A = 0,25 mol/L

14.Reactiekinetiek

Antwoord: A = 1,837 × 10¹¹ s⁻¹

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 temperatuur

T = 25 + 273,15 = 298,1 K

Los Arrhenius op naar A

E_a/(RT) = 70000/(8,314·298,1) = 28,24

A = k·e^28,24 = 0,1·1,837 × 10¹² = 1,837 × 10¹¹ s⁻¹

Antwoord

A = 1,837 × 10¹¹ s⁻¹

15.Reactordimensionering (CSTR en PFR)

Antwoord: V = 693,1 L

Ideale reactoren, eerste-orde reactie (−r_A = k·C_A) in stationaire toestand, met verblijftijd τ = V/Q. Een CSTR is ideaal gemengd, dus het hele volume reageert bij de lage uitlaatconcentratie: τ = X/(k·(1 − X)) en C_A = C_A0/(1 + k·τ). In een PFR reageert elk plakje vloeistof als een kleine batchreactor: τ = ln(1/(1 − X))/k en C_A = C_A0·e^−k·τ. Voor dezelfde conversie heeft een CSTR altijd meer volume nodig dan een PFR.

Verblijftijd

τ = ln(1/(1 − 0,5))/0,1 = 0,6931/0,1 = 6,931 min

Volume

V = Q·τ = 100·6,931 = 693,1 L

Antwoord

V = 693,1 L

16.Reactordimensionering (CSTR en PFR)

Antwoord: X = 34,96 %

Verblijftijd

τ = V/Q = 150/50 = 3 min, kτ = 0,08·3 = 0,24

Conversie

C₁/C_A0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,24) = 0,8065

C₂/C_A0 = 1/(1 + kτ)² = 0,6504

X = 1 − 0,6504 = 34,96%

Antwoord

X = 34,96%

17.Warmtewisselaars (LMTD)

Antwoord: A = 33,04 m²

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

Eindtemperatuurverschillen (tegenstroom)

Bij tegenstroom ligt de warme ingang tegenover de koude uitgang, en de warme uitgang tegenover de koude ingang.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 105 − 40 = 65 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 70 − 20 = 50 K

Logaritmisch gemiddeld temperatuurverschil

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (65 − 50)/ln(65/50) = 57,17 K

Oppervlak

A = Q̇/(U·F·ΔT_lm,cf) = 510000/(300·0,9·57,17) = 33,04 m²

Antwoord

A = 33,04 m²

18.Warmtewisselaars (LMTD)

Antwoord: A = 147,9 m²

LMTD-methode: het temperatuurverschil tussen de stromen verandert langs de warmtewisselaar, dus de overdrachtsvergelijking gebruikt het logaritmisch gemiddelde: Q̇ = U·A·ΔT_lm, met ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), waarbij ΔT₁ en ΔT₂ de verschillen aan beide uiteinden zijn. Tegenstroom geeft een grotere ΔT_lm dan meestroom bij dezelfde in- en uittredetemperaturen.

Warmtevermogen en uittredetemperatuur van het water

Q̇ = ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = 2·2,5·70 = 350 kW

T_c,out = 10 + 350/(1·4,18) = 93,73 °C

Temperatuurverschillen aan de uiteinden

Bij tegenstroom ligt de warme ingang tegenover de koude uitgang, en de warme uitgang tegenover de koude ingang.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 100 − 93,73 = 6,268 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 30 − 10 = 20 K

Logaritmisch gemiddeld temperatuurverschil

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (6,268 − 20)/ln(6,268/20) = 11,84 K

Oppervlak

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 350000/(200·11,84) = 147,9 m²

Antwoord

A = 147,9 m²

19.Warmtegeleiding

Antwoord: Q̇ = 181,4 W

Warmteweerstand: stationaire warmtestroom door lagen in serie gedraagt zich als stroom door weerstanden in serie: Q̇ = ΔT/ΣR, met R = L/(kA) voor een geleidende laag en R = 1/(hA) voor een oppervlak met convectie. Het temperatuurverschil over elke laag is evenredig met haar weerstand.

Weerstanden van de lagen

R₁ = L₁/(k₁A) = (100/1000)/(0,72·12) = 0,01157 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0,04·12) = 0,1042 K/W

Warmtestroom

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 21/0,1157 = 181,4 W

Antwoord

Q̇ = 181,4 W

20.Warmtegeleiding

Antwoord: Q̇ = 46,57 W

Weerstanden in serie

R_i = 1/(h_iA) = 1/(10·15) = 0,006667 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (200/1000)/(0,035·15) = 0,381 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (100/1000)/(0,17·15) = 0,03922 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(25·15) = 0,002667 K/W

ΣR = 0,4295 K/W

Warmteverlies

Q̇ = (22 − (2))/0,4295 = 46,57 W

Antwoord

Q̇ = 46,57 W

21.Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Antwoord: h_f = 1,088 m

Leidingstroming: het getal van Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ onderscheidt laminaire stroming (Re onder ongeveer 2000) van turbulente stroming (boven ongeveer 4000). Wrijving langs een leiding kost het drukhoogteverlies volgens Darcy–Weisbach h_f = f·(L/D)·V²/(2g). Hulpstukken, afsluiters, de intrede en de uittrede geven plaatselijke verliezen h_m = ΣK·V²/(2g). Tussen twee open reservoiroppervlakken geeft de energievergelijking Δz = h_f + h_m, inclusief het uittredeverlies K = 1.

Gemiddelde snelheid

A = π·0,3²/4 = 0,07069 m²

V = Q/A = 0,04/0,07069 = 0,5659 m/s

Snelheidshoogte

V²/(2g) = 0,5659²/(2·9,81) = 0,01632 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(1000/0,3)·0,5659²/(2·9,81) = 1,088 m

Antwoord

h_f = 1,088 m

22.Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Antwoord: H = 1,769 m

Snelheid

V = Q/A = 0,08/0,07069 = 1,132 m/s

V²/(2g) = 0,06529 m

Verliescoëfficiënten

f·L/D = 0,015·300/0,3 = 15

ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 = 11,1

Energievergelijking

De uitstromende straal heeft nog zijn snelheidshoogte; dat is geen verlies, maar die moet wel geleverd worden.

H = (1 + 15 + 11,1)·0,06529 = 1,769 m

Antwoord

H = 1,769 m

23.Pompen en pompvermogen

Antwoord: η = 80,08 %

Pompvermogen: het vermogen dat aan het water wordt gegeven is het hydraulisch vermogen P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp. De as moet meer leveren omdat de pomp verliezen heeft: P_shaft = P_h/η_pump, en de motor neemt P_el = P_shaft/η_motor op. De opvoerhoogte H volgt uit de energievergelijking: statische opvoerhoogte + drukhoogte + alle wrijvings- en plaatselijke verliezen.

Hydraulisch vermogen

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,02·40 = 7,848 kW

Rendement

η = P_h/P_shaft = 7,848/9,8 = 80,08%

Antwoord

η = 80,08%

24.Pompen en pompvermogen

Antwoord: H = 43,72 m

Snelheid

V = Q/A = 0,025/0,01767 = 1,415 m/s

V²/(2g) = 0,102 m

Drukhoogteverliezen

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (12 + 8)·0,102 = 2,04 m

Drukhoogte

p/(ρ·g) = 350000/(1000·9,81) = 35,68 m

Opvoerhoogte van de pomp

Beide oppervlakken zijn praktisch in rust, dus er is geen term voor de snelheidshoogte.

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 6 + 35,68 + 2,04 = 43,72 m

Antwoord

H = 43,72 m

Dit is onafhankelijk oefenmateriaal. ExamProblems is niet verbonden aan of goedgekeurd door de organisatie die dit examen afneemt, en de naam van het examen wordt alleen gebruikt om de inhoud te beschrijven. Het FE exam wordt afgenomen door NCEES, dat niet verbonden is aan ExamProblems en het niet onderschrijft.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-chemical

Oefenen voor het FE Chemical-examen: samenvattingspakket

1Formules en methoden

Massabalans

Energiebalans

Ideale gaswet

Stoichiometrie

Methode

Chemisch evenwicht

Methode

Calorimetrie en enthalpie

Reactiekinetiek

Reactordimensionering (CSTR en PFR)

Warmtewisselaars (LMTD)

Warmtegeleiding

Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Pompen en pompvermogen

2Oefenopgaven

3Oplossingen

Balansen

Los op naar ṁ2

Antwoord

Balans van de opgeloste stof

Antwoord

Warmte afgegeven door de warme stroom

Warmte opgenomen door het water

Antwoord

Afgegeven warmte

Warmte die het water bereikt

Waterdebiet

Antwoord

Mol

Druk

Antwoord

Herschrijf de gaswet

Dichtheid

Antwoord

Mol van elke beginstof

Beperkende reactant

Massa product

Antwoord

Theoretische opbrengst

Rendement

Antwoord

Evenwichtsvoorwaarde

Neem de wortel

Evenwichtsconcentratie

Antwoord

Evenwichtsvoorwaarde

Los de vierkantsvergelijking op

Evenwichtsconcentratie

Antwoord

Warmtebalans

Los de eindtemperatuur op

Antwoord

Reactie-enthalpie

Warmte voor de gegeven massa

Antwoord

Geïntegreerde tweede-orde vergelijking

Antwoord

Absolute temperatuur

Los Arrhenius op naar A

Antwoord

Verblijftijd

Volume

Antwoord

Verblijftijd

Conversie

Antwoord

Eindtemperatuurverschillen (tegenstroom)

Logaritmisch gemiddeld temperatuurverschil

Oppervlak

Antwoord

Warmtevermogen en uittredetemperatuur van het water

Temperatuurverschillen aan de uiteinden

Logaritmisch gemiddeld temperatuurverschil

Oppervlak

Antwoord

Weerstanden van de lagen

Warmtestroom

Antwoord

Los op naar ṁ₂