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 15% NaOH bevat? Vind ṁ₂.

ṁ₁ = 400 kg/hx₁ = 10 %x₂ = 30 %x₃ = 15 %

ṁ₂ = kg/h

2.MassabalansMoeilijk

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

F = 4000 kg/hx_F = 12 %x_P = 35 %

P = kg/h

3.EnergiebalansGemiddeld

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

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 60 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 10 °C

t_out = °C

4.EnergiebalansMoeilijk

Warme ethanol 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 = 0,5 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 90 °Ct: 10 → 55 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)verlies = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Ideale gaswetGemiddeld

Welk volume V neemt 250 g He in bij 500 kPa en 75 °C? Behandel het als een ideaal gas.

m = 250 gM = 4,003 g/molP = 500 kPaT = 75 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

6.Ideale gaswetMoeilijk

Een vaste hoeveelheid Ar gaat van 250 kPa, 10 L, 30 °C naar 650 kPa en 200 °C. Vind het nieuwe volume V₂.

P₁ = 250 kPaV₁ = 10 LT₁ = 30 °CP₂ = 650 kPaT₂ = 200 °C

V₂ = L

7.StoichiometrieGemiddeld

20 g N₂ en 48 g H₂ reageren volgens N₂ + 3H₂ → 2NH₃. Hoeveel massa m NH₃ kan er ontstaan?

M(N₂) = 28,02M(H₂) = 2,016M(NH₃) = 17,03 g/mol

m = g

8.StoichiometrieMoeilijk

Bij de reactie 2Mg + O₂ → 2MgO reageert 30 g Mg volledig (de andere beginstoffen in overmaat) en wordt 46,75 g MgO opgevangen. Bereken het rendement Y.

M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molwerkelijk: 46,75 g

Y = %

9.Chemisch evenwichtGemiddeld

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

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LK_c = 4

[H₂] = mol/L

10.Chemisch evenwichtMoeilijk

PCl₅ ontleedt: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, met K_c = 0,1 bij de reactietemperatuur. Een vat bevat aan het begin alleen 0,2 mol/L PCl₅. Bereken de evenwichtsconcentratie [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LK_c = 0,1

[Cl₂] = mol/L

11.Calorimetrie en enthalpieGemiddeld

Een blok aluminium van 150 g (c = 0,897 J/(g·°C)) met een temperatuur van 200 °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 = 150 gc_metal = 0,897 J/(g·°C)T_metal = 200 °Cm_water = 400 gT_water = 15 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Calorimetrie en enthalpieMoeilijk

Gebruik de standaardvormingsenthalpieën om ΔH° te berekenen voor de reactie CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l).

ΔH°f(CH₄) = −74,8 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

ΔH° = kJ

13.ReactiekinetiekGemiddeld

Een eerste-orde reactie in een batchreactor heeft k = 0,3 min⁻¹. Hoe lang duurt het om 80% conversie te bereiken? Vind t.

k = 0,3 min⁻¹X = 80 %

t = min

14.ReactiekinetiekMoeilijk

Een eerste-orde reactie heeft k = 0,01 min⁻¹ bij 20 °C en een activeringsenergie van 75 kJ/mol. De batchreactor draait nu 10 min op 30 °C. Vind de bereikte conversie X.

k₁ = 0,01 min⁻¹T₁ = 20 °CE_a = 75 kJ/molT₂ = 30 °Ct = 10 minR = 8,314 J/(mol·K)

X = %

15.Reactordimensionering (CSTR en PFR)Gemiddeld

Een eerste-orde vloeistoffasereactie moet 60% conversie bereiken. Hoeveel keer zo groot moet een CSTR zijn als een PFR bij hetzelfde voedingsdebiet, dezelfde snelheidsconstante en dezelfde conversie? Vind de verhouding V_CSTR/V_PFR.

X = 60%eerste orde, zelfde k en Q

V_CSTR/V_PFR =

16.Reactordimensionering (CSTR en PFR)Moeilijk

Een eerste-orde vloeistoffasereactie (k = 0,5 min⁻¹) verloopt in een CSTR van 400 L met een voeding van 20 L/min. De dichtheid is constant en de reactor is in stationaire toestand. Vind de conversie X in procent.

V = 400 LQ = 20 L/mink = 0,5 min⁻¹

X = %

17.Warmtewisselaars (LMTD)Gemiddeld

Een tegenstroomwarmtewisselaar draagt 100 kW over. Het warmtewisselend oppervlak is 20 m². De warme vloeistof koelt af van 120 tot 35 °C en de koude vloeistof warmt op van 20 tot 50 °C. Vind de warmtedoorgangscoëfficiënt U.

Q̇ = 100 kWA = 20 m²T_h: 120 → 35 °CT_c: 20 → 50 °C

U = W/(m²·K)

18.Warmtewisselaars (LMTD)Moeilijk

Stoom condenseert bij een constante 130 °C aan de buitenkant van de buizen van een condensor met een warmtewisselend oppervlak van 1,5 m² en U = 1500 W/(m²·K). Koelwater (1,5 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) komt de buizen binnen op 25 °C. Vind de uittredetemperatuur van het water T_c,out.

T_s = 130 °CA = 1,5 m²U = 1500 W/(m²·K)ṁ = 1,5 kg/sc_p = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 25 °C

T_c,out = °C

19.WarmtegeleidingGemiddeld

Een wand bestaat uit 200 mm beton en 150 mm minerale wol, met een oppervlak van 15 m². De buitenzijden zijn 16 °C en -15 °C. Vind de warmtestroom Q̇ door de wand.

L₁ = 200 mm, k₁ = 1,4 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0,04 W/(m·K)A = 15 m²T₁ = 16 °CT₃ = -15 °C

Q̇ = W

20.WarmtegeleidingMoeilijk

Een wand van 50 mm beton en 50 mm geëxpandeerd polystyreen scheidt een kamer van 20 °C van de buitenlucht van -13 °C. De warmteoverdrachtscoëfficiënten zijn 8 W/(m²·K) binnen en 30 W/(m²·K) buiten, en het wandoppervlak is 6 m². Vind de temperatuur T_s van het binnenoppervlak van de wand.

L₁ = 50 mm, k₁ = 1,4 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0,035 W/(m·K)A = 6 m²h_i = 8 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 20 °CT_out = -13 °C

T_s = °C

21.Leidingwrijving en drukhoogteverliesGemiddeld

Water (ρ = 1000 kg/m³) stroomt met 1,8 m/s door een horizontale leiding van 50 m lang met een binnendiameter van 100 mm. Gebruik de Darcy-wrijvingsfactor f = 0,028 en g = 9,81 m/s². Vind de drukval Δp over de leiding in kPa.

V = 1,8 m/sL = 50 mD = 100 mmf = 0,028ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

22.Leidingwrijving en drukhoogteverliesMoeilijk

Twee open reservoirs zijn verbonden door een leiding van 200 m lang met een binnendiameter van 100 mm en een Darcy-wrijvingsfactor f = 0,015. De plaatselijke verliezen zijn een scherpe intrede (K = 0,5), 4 bochten (K = 0,3 per stuk), een afsluiter (K = 2) en de uittrede in het lagere reservoir (K = 1,0). Gebruik g = 9,81 m/s². Welk niveauverschil Δz tussen de reservoirs geeft een debiet van 25 L/s?

Q = 25 L/sL = 200 mD = 100 mmf = 0,015K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×4)K_valve = 2K_exit = 1,0

Δz = m

23.Pompen en pompvermogenGemiddeld

Een pomp met een rendement van 85% levert 10 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) tegen een opvoerhoogte van 60 m. Gebruik g = 9,81 m/s². Vind het benodigde asvermogen P_shaft, in kW.

Q = 10 L/sH = 60 mη = 85%g = 9,81 m/s²

P_shaft = kW

24.Pompen en pompvermogenMoeilijk

Een pomp verplaatst 80 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 150 m lang met een binnendiameter van 200 mm en een Darcy-wrijvingsfactor f = 0,015; de coëfficiënten voor plaatselijke verliezen tellen op tot ΣK = 2,5 (intrede en uittrede inbegrepen). Gebruik g = 9,81 m/s². Vind de opvoerhoogte H die de pomp moet toevoegen.

Q = 80 L/sΔz = 6 mL = 150 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 2,5

H = m

3Oplossingen

1.Massabalans

Antwoord: ṁ₂ = 133,3 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) = 400·(10 − 15)/(15 − 30) = 133,3 kg/h

Antwoord

ṁ₂ = 133,3 kg/h

2.Massabalans

Antwoord: P = 1371 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 = 4000·12/35 = 1371 kg/h

Antwoord

P = 1371 kg/h

3.Energiebalans

Antwoord: t_out = 20,05 °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 = 1·2,1·(120 − 60) = 126 kW

Warmte opgenomen door het water

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 10 + 126/(3·4,18) = 20,05 °C

Antwoord

t_out = 20,05 °C

4.Energiebalans

Antwoord: ṁ_c = 0,3081 kg/s

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

Afgegeven warmte

Q_h = 0,5·2,44·(140 − 90) = 61 kW

Warmte die het water bereikt

Q_c = (1 − 0,05)·61 = 57,95 kW

Waterdebiet

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 57,95/(4,18·45) = 0,3081 kg/s

Antwoord

ṁ_c = 0,3081 kg/s

5.Ideale gaswet

Antwoord: V = 361,5 L

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

Mol

n = 250/4,003 = 62,45 mol

T = 75 + 273,15 = 348,1 K

Volume

V = nRT/P = 62,45·8,314·348,1/500 = 361,5 L

Antwoord

V = 361,5 L

6.Ideale gaswet

Antwoord: V₂ = 6,003 L

Algemene gaswet: voor een vaste hoeveelheid ideaal gas geldt P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂.

Absolute temperaturen

T₁ = 303,1 K, T₂ = 473,1 K

Algemene gaswet

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 10·(250/650)·(473,1/303,1) = 6,003 L

Antwoord

V₂ = 6,003 L

7.Stoichiometrie

Antwoord: m = 24,31 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(N₂) = 20/28,02 = 0,7138 mol

n(H₂) = 48/2,016 = 23,81 mol

Beperkende reactant

0,7138/1 = 0,7138, 23,81/3 = 7,937 → N₂

Massa product

n(NH₃) = 0,7138·2 = 1,428 mol

m = 1,428·17,03 = 24,31 g

Antwoord

m = 24,31 g

8.Stoichiometrie

Antwoord: Y = 94 %

Theoretische opbrengst

n(Mg) = 30/24,31 = 1,234 mol

m = 1,234·2/2·40,3 = 49,73 g

Rendement

Y = 46,75/49,73·100 = 94%

Antwoord

Y = 94%

9.Chemisch evenwicht

Antwoord: [H₂] = 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/(0,2 − x)²

Neem de wortel

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

Evenwichtsconcentratie

[H₂] = 0,2 − x = 0,1 mol/L

Antwoord

[H₂] = 0,1 mol/L

10.Chemisch evenwicht

Antwoord: [Cl₂] = 0,1 mol/L

Evenwichtsvoorwaarde

0,1 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,1·x − 0,02 = 0

Los de vierkantsvergelijking op

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,02))/2 = 0,1 mol/L

Evenwichtsconcentratie

[Cl₂] = x = 0,1 mol/L

Antwoord

[Cl₂] = 0,1 mol/L

11.Calorimetrie en enthalpie

Antwoord: T_f = 28,78 °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

150·0,897·(200 − T_f) = 400·4,18·(T_f − 15)

Los de eindtemperatuur op

T_f = (134,6·200 + 1672·15)/(134,6 + 1672) = 28,78 °C

Antwoord

T_f = 28,78 °C

12.Calorimetrie en enthalpie

Antwoord: ΔH° = −890,3 kJ

Reactie-enthalpie

ΔH° = [1·(−393,5) + 2·(−285,8)] − [1·(−74,8) + 2·0] = −890,3 kJ

Antwoord

ΔH° = −890,3 kJ

Negatief: de reactie staat warmte af (exotherm).

13.Reactiekinetiek

Antwoord: t = 5,365 min

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).

Conversie en concentratie

C/C₀ = 1 − X = 0,2

Los op naar de tijd

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,2)/0,3 = 5,365 min

Antwoord

t = 5,365 min

14.Reactiekinetiek

Antwoord: X = 24,12 %

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).

Snelheidsconstante bij de nieuwe temperatuur

T₁ = 293,1 K, T₂ = 303,1 K

k₂ = 0,01·e^{−(75000/8,314)·(1/303,1 − 1/293,1)} = 0,0276 min⁻¹

Conversie

X = 1 − e^{−0,0276·10} = 1 − 0,7588 = 24,12 %

Antwoord

X = 24,12 %

15.Reactordimensionering (CSTR en PFR)

Antwoord: V_CSTR/V_PFR = 1,637

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.

k·τ voor elke reactor

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,6/0,4 = 1,5

PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(2,5) = 0,9163

Verhouding van de volumes

V_CSTR/V_PFR = 1,5/0,9163 = 1,637

Antwoord

V_CSTR/V_PFR = 1,637

Het verschil groeit snel bij hoge conversie.

16.Reactordimensionering (CSTR en PFR)

Antwoord: X = 90,91 %

Verblijftijd

τ = V/Q = 400/20 = 20 min, kτ = 0,5·20 = 10

Conversie

X = kτ/(1 + kτ) = 10/(1 + 10) = 90,91%

Antwoord

X = 90,91%

17.Warmtewisselaars (LMTD)

Antwoord: U = 140 W/(m²·K)

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.

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 = 120 − 50 = 70 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 35 − 20 = 15 K

Logaritmisch gemiddeld temperatuurverschil

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (70 − 15)/ln(70/15) = 35,7 K

Warmtedoorgangscoëfficiënt

U = Q̇/(A·ΔT_lm) = 100000/(20·35,7) = 140 W/(m²·K)

Antwoord

U = 140 W/(m²·K)

18.Warmtewisselaars (LMTD)

Antwoord: T_c,out = 56,66 °C

Combineer de energiebalans en de warmteoverdrachtsvergelijking

Met ΔT₁ = T_s − T_c,in en ΔT₂ = T_s − T_c,out is het verschil ΔT₁ − ΔT₂ gelijk aan de temperatuurstijging van het water, dus de stijging valt weg.

ṁc_p(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)

ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁc_p) = 1500·1,5/(1,5·4180) = 0,3589

Uittredetemperatuur

ΔT₂ = ΔT₁·e^−0,3589 = 105·0,6985 = 73,34 K

T_c,out = 130 − 73,34 = 56,66 °C

Antwoord

T_c,out = 56,66 °C

Overgedragen warmte: Q̇ = 198,5 kW.

19.Warmtegeleiding

Antwoord: Q̇ = 119,4 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) = (200/1000)/(1,4·15) = 0,009524 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0,04·15) = 0,25 K/W

Warmtestroom

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 31/0,2595 = 119,4 W

Antwoord

Q̇ = 119,4 W

20.Warmtegeleiding

Antwoord: T_s = 17,46 °C

Weerstanden in serie

R_i = 1/(h_iA) = 1/(8·6) = 0,02083 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (50/1000)/(1,4·6) = 0,005952 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0,035·6) = 0,2381 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·6) = 0,005556 K/W

ΣR = 0,2704 K/W

Warmteverlies

Q̇ = (20 − (-13))/0,2704 = 122 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 20 − 122·0,02083 = 17,46 °C

Antwoord

T_s = 17,46 °C

21.Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Antwoord: Δp = 22,68 kPa

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.

Drukhoogteverlies

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(50/0,1)·1,8²/(2·9,81) = 2,312 m

Drukval

De leiding is horizontaal en de snelheid verandert niet, dus de energievergelijking wordt Δp = ρ·g·h_f.

Δp = ρ·g·h_f = 1000·9,81·2,312 = 22680 Pa = 22,68 kPa

Antwoord

Δp = 22,68 kPa

22.Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Antwoord: Δz = 17,92 m

Snelheid

V = Q/A = 0,025/0,007854 = 3,183 m/s

V²/(2g) = 0,5164 m

Verliescoëfficiënten

f·L/D = 0,015·200/0,1 = 30

ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 + 1,0 = 4,7

Totaal drukhoogteverlies

h_f = 30·0,5164 = 15,49 m

h_m = 4,7·0,5164 = 2,427 m

Δz = h_f + h_m = 17,92 m

Antwoord

Δz = 17,92 m

23.Pompen en pompvermogen

Antwoord: P_shaft = 6,925 kW

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 = 1000·9,81·0,01·60 = 5,886 kW

Asvermogen

P_shaft = P_h/η = 5,886/0,85 = 6,925 kW

Antwoord

P_shaft = 6,925 kW

24.Pompen en pompvermogen

Antwoord: H = 10,54 m

Snelheid

V = Q/A = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s

V²/(2g) = 0,3305 m

Drukhoogteverliezen

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (11,25 + 2,5)·0,3305 = 4,544 m

Opvoerhoogte van de pomp

Beide oppervlakken zijn open en praktisch in rust, dus de druk- en snelheidstermen vallen weg.

H = Δz + h_L = 6 + 4,544 = 10,54 m

Antwoord

H = 10,54 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

Volume

Antwoord

Absolute temperaturen

Algemene gaswet

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

Antwoord

Conversie en concentratie

Los op naar de tijd

Antwoord

Snelheidsconstante bij de nieuwe temperatuur

Conversie

Antwoord

k·τ voor elke reactor

Verhouding van de volumes

Antwoord

Verblijftijd

Conversie

Antwoord

Temperatuurverschillen aan de uiteinden

Logaritmisch gemiddeld temperatuurverschil

Warmtedoorgangscoëfficiënt

Antwoord

Combineer de energiebalans en de warmteoverdrachtsvergelijking

Uittredetemperatuur

Antwoord

Weerstanden van de lagen

Warmtestroom

Antwoord

Weerstanden in serie

Warmteverlies

Los op naar ṁ₂