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 35% suiker bevat? Vind ṁ₂.

ṁ₁ = 950 kg/hx₁ = 15 %x₂ = 50 %x₃ = 35 %

ṁ₂ = kg/h

2.MassabalansMoeilijk

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

F = 3100 kg/hx_F = 18 %x_P = 35 %

P = kg/h

3.EnergiebalansGemiddeld

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

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 130 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 10 °C

t_out = °C

4.EnergiebalansMoeilijk

Warme lichte olie verwarmt water in een warmtewisselaar die 15% 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 = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 90 °Ct: 30 → 70 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)verlies = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.Ideale gaswetGemiddeld

Welk volume V neemt 40 g N₂ in bij 150 kPa en 25 °C? Behandel het als een ideaal gas.

m = 40 gM = 28,01 g/molP = 150 kPaT = 25 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

6.Ideale gaswetMoeilijk

Een vaste hoeveelheid He gaat van 100 kPa, 5 L, 25 °C naar 500 kPa en 170 °C. Vind het nieuwe volume V₂.

P₁ = 100 kPaV₁ = 5 LT₁ = 25 °CP₂ = 500 kPaT₂ = 170 °C

V₂ = L

7.StoichiometrieGemiddeld

12 g C₃H₈ en 24 g O₂ reageren volgens C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O. Hoeveel massa m CO₂ kan er ontstaan?

M(C₃H₈) = 44,1M(O₂) = 32M(CO₂) = 44,01 g/mol

m = g

8.StoichiometrieMoeilijk

Bij de reactie 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃ reageert 4 g Al volledig (de andere beginstoffen in overmaat) en wordt 17,4 g AlCl₃ opgevangen. Bereken het rendement Y.

M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl₃) = 133,33 g/molwerkelijk: 17,4 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 = 50. Bereken de evenwichtsconcentratie [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LK_c = 50

[HI] = mol/L

10.Chemisch evenwichtMoeilijk

PCl₅ ontleedt: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, met K_c = 0,08 bij de reactietemperatuur. Een vat bevat aan het begin alleen 1,5 mol/L PCl₅. Bereken de evenwichtsconcentratie [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LK_c = 0,08

[PCl₅] = mol/L

11.Calorimetrie en enthalpieGemiddeld

Een blok lood van 250 g (c = 0,129 J/(g·°C)) met een temperatuur van 170 °C wordt in een geïsoleerde beker met 250 g water (c = 4,18 J/(g·°C)) van 16 °C gelegd. Bereken de eindtemperatuur T_f.

m_metal = 250 gc_metal = 0,129 J/(g·°C)T_metal = 170 °Cm_water = 250 gT_water = 16 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Calorimetrie en enthalpieMoeilijk

Gebruik de standaardvormingsenthalpieën om ΔH° te berekenen voor de reactie 2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l).

ΔH°f(C₄H₁₀) = −125,6 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

ΔH° = kJ

13.ReactiekinetiekGemiddeld

Een tweede-orde reactie (−r_A = k·C_A²) in een batchreactor heeft k = 0,25 L/(mol·min) en begint bij 2 mol/L. Hoe lang duurt het om 80% conversie te bereiken? Vind t.

k = 0,25 L/(mol·min)C_A0 = 2 mol/LX = 80 %

t = min

14.ReactiekinetiekMoeilijk

De snelheidsconstante van een reactie is 0,005 min⁻¹ bij 20 °C en 0,0294 min⁻¹ bij 45 °C. Vind de activeringsenergie E_a.

k₁ = 0,005 min⁻¹T₁ = 20 °Ck₂ = 0,0294 min⁻¹T₂ = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)

E_a = kJ/mol

15.Reactordimensionering (CSTR en PFR)Gemiddeld

Een eerste-orde vloeistoffasereactie moet 85% 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 = 85%eerste orde, zelfde k en Q

V_CSTR/V_PFR =

16.Reactordimensionering (CSTR en PFR)Moeilijk

Een eerste-orde vloeistoffasereactie (k = 0,08 min⁻¹) verloopt in een CSTR van 1500 L met een voeding van 25 L/min. De dichtheid is constant en de reactor is in stationaire toestand. Vind de conversie X in procent.

V = 1500 LQ = 25 L/mink = 0,08 min⁻¹

X = %

17.Warmtewisselaars (LMTD)Gemiddeld

In een condensor condenseert stoom bij een constante 110 °C aan de buitenkant van de buizen. Koelwater (2 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) stroomt door de buizen en warmt op van 20 tot 90 °C. De warmtedoorgangscoëfficiënt is 2500 W/(m²·K). Vind het benodigde warmtewisselend oppervlak A.

T_s = 110 °Cṁ = 2 kg/sc_p = 4,18 kJ/(kg·K)T_c: 20 → 90 °CU = 2500 W/(m²·K)

A = m²

18.Warmtewisselaars (LMTD)Moeilijk

Stoom condenseert bij een constante 120 °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 (0,5 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) komt de buizen binnen op 15 °C. Vind de uittredetemperatuur van het water T_c,out.

T_s = 120 °CA = 1,5 m²U = 1500 W/(m²·K)ṁ = 0,5 kg/sc_p = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 15 °C

T_c,out = °C

19.WarmtegeleidingGemiddeld

Een wand bestaat uit 50 mm minerale wol en 150 mm hout, met een oppervlak van 12 m². De buitenzijden zijn 19 °C en -11 °C. Vind de warmtestroom Q̇ door de wand.

L₁ = 50 mm, k₁ = 0,04 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²T₁ = 19 °CT₃ = -11 °C

Q̇ = W

20.WarmtegeleidingMoeilijk

Een wand van 250 mm hout en 25 mm gipsplaat scheidt een kamer van 22 °C van de buitenlucht van -10 °C. De warmteoverdrachtscoëfficiënten zijn 10 W/(m²·K) binnen en 20 W/(m²·K) buiten, en het wandoppervlak is 8 m². Vind het warmteverlies Q̇ door de wand.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0,17 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²h_i = 10 W/(m²·K)h_o = 20 W/(m²·K)T_room = 22 °CT_out = -10 °C

Q̇ = W

21.Leidingwrijving en drukhoogteverliesGemiddeld

Water stroomt met 60 L/s door een leiding van 500 m lang met een binnendiameter van 250 mm. Gebruik de Darcy-wrijvingsfactor f = 0,018 en g = 9,81 m/s². Vind het wrijvingsverlies h_f.

Q = 60 L/sL = 500 mD = 250 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²

h_f = m

22.Leidingwrijving en drukhoogteverliesMoeilijk

Een leiding van 150 m lang met een binnendiameter van 150 mm (Darcy-wrijvingsfactor f = 0,02) loopt vanuit een open reservoir en stroomt als vrije straal uit in de lucht. De plaatselijke verliezen zijn een scherpe intrede (K = 0,5), 3 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 60 L/s?

Q = 60 L/sL = 150 mD = 150 mmf = 0,02K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×3)K_valve = 10

H = m

23.Pompen en pompvermogenGemiddeld

Een pomp levert 60 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) tegen een opvoerhoogte van 24 m. Het pomprendement is 75% en de elektromotor die de pomp aandrijft heeft een rendement van 90%. Gebruik g = 9,81 m/s². Vind het elektrisch vermogen P_el dat de motor opneemt, in kW.

Q = 60 L/sH = 24 mη_pump = 75%η_motor = 90%g = 9,81 m/s²

P_el = kW

24.Pompen en pompvermogenMoeilijk

Een pomp verplaatst 75 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) van een open lager reservoir naar een hoger gelegen tank waarvan het wateroppervlak 8 m hoger ligt. De leiding is 100 m lang met een binnendiameter van 250 mm en een Darcy-wrijvingsfactor f = 0,022; de coëfficiënten voor plaatselijke verliezen tellen op tot ΣK = 8 (intrede en uittrede inbegrepen). Gebruik g = 9,81 m/s². Het pomprendement is 78%. Vind het asvermogen P_shaft in kW.

Q = 75 L/sΔz = 8 mL = 100 mD = 250 mmf = 0,022ΣK = 8η = 78%

P_shaft = kW

3Oplossingen

1.Massabalans

Antwoord: ṁ₂ = 1267 kg/h

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

Balansen

Total: ṁ₃ = ṁ₁ + ṁ₂

suiker: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

Los op naar ṁ₂

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 950·(15 − 35)/(35 − 50) = 1267 kg/h

Antwoord

ṁ₂ = 1267 kg/h

2.Massabalans

Antwoord: P = 1594 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 = 3100·18/35 = 1594 kg/h

Antwoord

P = 1594 kg/h

3.Energiebalans

Antwoord: t_out = 33,35 °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 = 1·2,44·(170 − 130) = 97,6 kW

Warmte opgenomen door het water

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 10 + 97,6/(1·4,18) = 33,35 °C

Antwoord

t_out = 33,35 °C

4.Energiebalans

Antwoord: ṁ_c = 0,6406 kg/s

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

Afgegeven warmte

Q_h = 1,5·2,1·(130 − 90) = 126 kW

Warmte die het water bereikt

Q_c = (1 − 0,15)·126 = 107,1 kW

Waterdebiet

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 107,1/(4,18·40) = 0,6406 kg/s

Antwoord

ṁ_c = 0,6406 kg/s

5.Ideale gaswet

Antwoord: V = 23,6 L

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

Mol

n = 40/28,01 = 1,428 mol

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

Volume

V = nRT/P = 1,428·8,314·298,1/150 = 23,6 L

Antwoord

V = 23,6 L

6.Ideale gaswet

Antwoord: V₂ = 1,486 L

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

Absolute temperaturen

T₁ = 298,1 K, T₂ = 443,1 K

Algemene gaswet

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 5·(100/500)·(443,1/298,1) = 1,486 L

Antwoord

V₂ = 1,486 L

7.Stoichiometrie

Antwoord: m = 19,8 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(C₃H₈) = 12/44,1 = 0,2721 mol

n(O₂) = 24/32 = 0,75 mol

Beperkende reactant

0,2721/1 = 0,2721, 0,75/5 = 0,15 → O₂

Massa product

n(CO₂) = 0,15·3 = 0,45 mol

m = 0,45·44,01 = 19,8 g

Antwoord

m = 19,8 g

8.Stoichiometrie

Antwoord: Y = 88,02 %

Theoretische opbrengst

n(Al) = 4/26,98 = 0,1483 mol

m = 0,1483·2/2·133,33 = 19,77 g

Rendement

Y = 17,4/19,77·100 = 88,02%

Antwoord

Y = 88,02%

9.Chemisch evenwicht

Antwoord: [HI] = 0,1559 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

50 = (2x)²/(0,1 − x)²

Neem de wortel

7,071 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·7,071/(2 + 7,071) = 0,07795 mol/L

Evenwichtsconcentratie

[HI] = 2x = 0,1559 mol/L

Antwoord

[HI] = 0,1559 mol/L

10.Chemisch evenwicht

Antwoord: [PCl₅] = 1,191 mol/L

Evenwichtsvoorwaarde

0,08 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,08·x − 0,12 = 0

Los de vierkantsvergelijking op

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,12))/2 = 0,3087 mol/L

Evenwichtsconcentratie

[PCl₅] = 1,5 − 0,3087 = 1,191 mol/L

Antwoord

[PCl₅] = 1,191 mol/L

11.Calorimetrie en enthalpie

Antwoord: T_f = 20,61 °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

250·0,129·(170 − T_f) = 250·4,18·(T_f − 16)

Los de eindtemperatuur op

T_f = (32,25·170 + 1045·16)/(32,25 + 1045) = 20,61 °C

Antwoord

T_f = 20,61 °C

12.Calorimetrie en enthalpie

Antwoord: ΔH° = −5755 kJ

Reactie-enthalpie

ΔH° = [8·(−393,5) + 10·(−285,8)] − [2·(−125,6) + 13·0] = −5755 kJ

Antwoord

ΔH° = −5755 kJ

Negatief: de reactie staat warmte af (exotherm).

13.Reactiekinetiek

Antwoord: t = 8 min

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Concentratie aan het eind

C_A = 2·(1 − 0,8) = 0,4 mol/L

Geïntegreerde tweede-orde vergelijking

t = (1/C_A − 1/C_A0)/k = (2,5 − 0,5)/0,25 = 8 min

Antwoord

t = 8 min

14.Reactiekinetiek

Antwoord: E_a = 54,95 kJ/mol

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).

Absolute temperaturen

T₁ = 293,1 K, T₂ = 318,1 K

Los Arrhenius op naar Ea

E_a = −R·ln(k₂/k₁)/(1/T₂ − 1/T₁) = −8,314·1,772/(-2,681e-4) = 54947 J/mol

E_a = 54,95 kJ/mol

Antwoord

E_a = 54,95 kJ/mol

15.Reactordimensionering (CSTR en PFR)

Antwoord: V_CSTR/V_PFR = 2,987

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) = 0,85/0,15 = 5,667

PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(6,667) = 1,897

Verhouding van de volumes

V_CSTR/V_PFR = 5,667/1,897 = 2,987

Antwoord

V_CSTR/V_PFR = 2,987

Het verschil groeit snel bij hoge conversie.

16.Reactordimensionering (CSTR en PFR)

Antwoord: X = 82,76 %

Verblijftijd

τ = V/Q = 1500/25 = 60 min, kτ = 0,08·60 = 4,8

Conversie

X = kτ/(1 + kτ) = 4,8/(1 + 4,8) = 82,76%

Antwoord

X = 82,76%

17.Warmtewisselaars (LMTD)

Antwoord: A = 5,03 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.

Warmtevermogen aan de waterkant

Q̇ = 2·4,18·(90 − 20) = 585,2 kW

Temperatuurverschillen aan de uiteinden

ΔT₁ = 110 − 20 = 90 K

ΔT₂ = 110 − 90 = 20 K

Logaritmisch gemiddeld temperatuurverschil

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (90 − 20)/ln(90/20) = 46,54 K

Oppervlak

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 585200/(2500·46,54) = 5,03 m²

Antwoord

A = 5,03 m²

18.Warmtewisselaars (LMTD)

Antwoord: T_c,out = 84,22 °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/(0,5·4180) = 1,077

Uittredetemperatuur

ΔT₂ = ΔT₁·e^−1,077 = 105·0,3408 = 35,78 K

T_c,out = 120 − 35,78 = 84,22 °C

Antwoord

T_c,out = 84,22 °C

Overgedragen warmte: Q̇ = 144,7 kW.

19.Warmtegeleiding

Antwoord: Q̇ = 168,8 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) = (50/1000)/(0,04·12) = 0,1042 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0,17·12) = 0,07353 K/W

Warmtestroom

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 30/0,1777 = 168,8 W

Antwoord

Q̇ = 168,8 W

20.Warmtegeleiding

Antwoord: Q̇ = 144,8 W

Weerstanden in serie

R_i = 1/(h_iA) = 1/(10·8) = 0,0125 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (250/1000)/(0,17·8) = 0,1838 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0,17·8) = 0,01838 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(20·8) = 0,00625 K/W

ΣR = 0,221 K/W

Warmteverlies

Q̇ = (22 − (-10))/0,221 = 144,8 W

Antwoord

Q̇ = 144,8 W

21.Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Antwoord: h_f = 2,741 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·0,25²/4 = 0,04909 m²

V = Q/A = 0,06/0,04909 = 1,222 m/s

Snelheidshoogte

V²/(2g) = 1,222²/(2·9,81) = 0,07615 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(500/0,25)·1,222²/(2·9,81) = 2,741 m

Antwoord

h_f = 2,741 m

22.Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Antwoord: H = 19,04 m

Snelheid

V = Q/A = 0,06/0,01767 = 3,395 m/s

V²/(2g) = 0,5876 m

Verliescoëfficiënten

f·L/D = 0,02·150/0,15 = 20

ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 = 11,4

Energievergelijking

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

H = (1 + 20 + 11,4)·0,5876 = 19,04 m

Antwoord

H = 19,04 m

23.Pompen en pompvermogen

Antwoord: P_el = 20,93 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 = 1000·9,81·0,06·24 = 14,13 kW

Asvermogen

P_shaft = 14,13/0,75 = 18,84 kW

Elektrisch vermogen

P_el = 18,84/0,9 = 20,93 kW

Antwoord

P_el = 20,93 kW

24.Pompen en pompvermogen

Antwoord: P_shaft = 9,432 kW

Snelheid

V = Q/A = 0,075/0,04909 = 1,528 m/s

V²/(2g) = 0,119 m

Drukhoogteverliezen

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (8,8 + 8)·0,119 = 1,999 m

Opvoerhoogte van de pomp

H = Δz + h_L = 8 + 1,999 = 9,999 m

Asvermogen

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,075·9,999/0,78 = 9,432 kW

Antwoord

P_shaft = 9,432 kW

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

Concentratie aan het eind

Geïntegreerde tweede-orde vergelijking

Antwoord

Absolute temperaturen

Los Arrhenius op naar Ea

Antwoord

k·τ voor elke reactor

Verhouding van de volumes

Antwoord

Verblijftijd

Conversie

Antwoord

Warmtevermogen aan de waterkant

Temperatuurverschillen aan de uiteinden

Logaritmisch gemiddeld temperatuurverschil

Oppervlak

Antwoord

Combineer de energiebalans en de warmteoverdrachtsvergelijking

Uittredetemperatuur

Antwoord

Weerstanden van de lagen

Warmtestroom

Antwoord

Weerstanden in serie

Los op naar ṁ₂