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 = 600 kg/hx₁ = 10 %x₂ = 30 %x₃ = 15 %

ṁ₂ = kg/h

2.MassabalansMoeilijk

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

F = 1900 kg/hx_F = 12 %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 = 1,5 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 120 °Cṁ_c = 0,5 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 30 °C

t_out = °C

4.EnergiebalansMoeilijk

Warme ethanol verwarmt water in een warmtewisselaar die 10% van de door de warme stroom afgegeven warmte aan de omgeving verliest. Vind het benodigde waterdebiet ṁ_c.

ṁ_h = 3 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 80 °Ct: 30 → 70 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)verlies = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Ideale gaswetGemiddeld

Welk volume V neemt 170 g Ar in bij 400 kPa en 5 °C? Behandel het als een ideaal gas.

m = 170 gM = 39,95 g/molP = 400 kPaT = 5 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

6.Ideale gaswetMoeilijk

Vind de dichtheid ρ van Ar bij 950 kPa en 80 °C, als ideaal gas.

M = 39,95 g/molP = 950 kPaT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StoichiometrieGemiddeld

12 g C₃H₈ en 10 g O₂ reageren volgens C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O. Hoeveel massa m H₂O kan er ontstaan?

M(C₃H₈) = 44,1M(O₂) = 32M(H₂O) = 18,02 g/mol

m = g

8.StoichiometrieMoeilijk

Bij de reactie CaCO₃ → CaO + CO₂ reageert 30 g CaCO₃ volledig (de andere beginstoffen in overmaat) en wordt 7,26 g CO₂ opgevangen. Bereken het rendement Y.

M(CaCO₃) = 100,09 g/molM(CO₂) = 44,01 g/molwerkelijk: 7,26 g

Y = %

9.Chemisch evenwichtGemiddeld

0,4 mol/L H₂ en 0,4 mol/L I₂ worden in een vat gebracht en reageren: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, met K_c = 49. Bereken de evenwichtsconcentratie [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LK_c = 49

[H₂] = mol/L

10.Chemisch evenwichtMoeilijk

PCl₅ ontleedt: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, met K_c = 0,5 bij de reactietemperatuur. Een vat bevat aan het begin alleen 0,8 mol/L PCl₅. Bereken de evenwichtsconcentratie [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LK_c = 0,5

[Cl₂] = mol/L

11.Calorimetrie en enthalpieGemiddeld

Een blok lood van 150 g (c = 0,129 J/(g·°C)) met een temperatuur van 80 °C wordt in een geïsoleerde beker met 250 g water (c = 4,18 J/(g·°C)) van 22 °C gelegd. Bereken de eindtemperatuur T_f.

m_metal = 150 gc_metal = 0,129 J/(g·°C)T_metal = 80 °Cm_water = 250 gT_water = 22 °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 50 g C₆H₁₂O₆ (M = 180,16 g/mol) volledig verbrandt: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l). Geef q als positief getal.

ΔH°f(C₆H₁₂O₆) = −1274 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

q = kJ

13.ReactiekinetiekGemiddeld

Een nulde-orde reactie heeft k = 0,01 mol/(L·min) en begint bij 0,8 mol/L. Hoe lang duurt het om 40% conversie te bereiken? Vind t.

k = 0,01 mol/(L·min)C_A0 = 0,8 mol/LX = 40 %

t = min

14.ReactiekinetiekMoeilijk

Twee experimenten meten de beginsnelheid van A → producten. Met C_A0 = 0,5 mol/L is de snelheid 0,005 mol/(L·s); met C_A0 = 1,5 mol/L is die 0,015 mol/(L·s). Vind de reactieorde n ten opzichte van A.

C_A0,1 = 0,5 mol/Lr₁ = 0,005 mol/(L·s)C_A0,2 = 1,5 mol/Lr₂ = 0,015 mol/(L·s)

n =

15.Reactordimensionering (CSTR en PFR)Gemiddeld

Een eerste-orde vloeistoffasereactie A → B met k = 0,2 min⁻¹ wordt uitgevoerd in een propstroomreactor (PFR) met een voeding van 40 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 = 40 L/mink = 0,2 min⁻¹X = 50%

V = L

16.Reactordimensionering (CSTR en PFR)Moeilijk

Een eerste-orde vloeistoffasereactie (k = 0,1 min⁻¹) verloopt in een CSTR van 150 L met een voeding van 50 L/min. De dichtheid is constant en de reactor is in stationaire toestand. Vind de conversie X in procent.

V = 150 LQ = 50 L/mink = 0,1 min⁻¹

X = %

17.Warmtewisselaars (LMTD)Gemiddeld

In een condensor condenseert stoom bij een constante 130 °C aan de buitenkant van de buizen. Koelwater (1,5 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) stroomt door de buizen en warmt op van 10 tot 30 °C. De warmtedoorgangscoëfficiënt is 3500 W/(m²·K). Vind het benodigde warmtewisselend oppervlak A.

T_s = 130 °Cṁ = 1,5 kg/sc_p = 4,18 kJ/(kg·K)T_c: 10 → 30 °CU = 3500 W/(m²·K)

A = m²

18.Warmtewisselaars (LMTD)Moeilijk

Warme olie (2 kg/s, c_p = 2,5 kJ/(kg·K)) koelt af van 145 tot 80 °C in een tegenstroomwarmtewisselaar. Ze verwarmt 1 kg/s water (c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) dat binnenkomt op 10 °C. Met U = 500 W/(m²·K), vind het benodigde warmtewisselend oppervlak A.

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 2,5 kJ/(kg·K)T_h: 145 → 80 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 10 °CU = 500 W/(m²·K)

A = m²

19.WarmtegeleidingGemiddeld

Een wand bestaat uit 150 mm gipsplaat en 25 mm hout, met een oppervlak van 6 m². De buitenzijden zijn 17 °C en 8 °C. Vind de warmtestroom Q̇ door de wand.

L₁ = 150 mm, k₁ = 0,17 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²T₁ = 17 °CT₃ = 8 °C

Q̇ = W

20.WarmtegeleidingMoeilijk

Een wand van 50 mm baksteen en 25 mm gipsplaat scheidt een kamer van 21 °C van de buitenlucht van -7 °C. De warmteoverdrachtscoëfficiënten zijn 6 W/(m²·K) binnen en 30 W/(m²·K) buiten, en het wandoppervlak is 10 m². Vind de warmtedoorgangscoëfficiënt U van de wand.

L₁ = 50 mm, k₁ = 0,72 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 10 m²h_i = 6 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -7 °C

U = W/(m²·K)

21.Leidingwrijving en drukhoogteverliesGemiddeld

Water stroomt met een gemiddelde snelheid van 2,3 m/s door een leiding van 300 m lang met een binnendiameter van 200 mm. Gebruik de Darcy-wrijvingsfactor f = 0,025 en g = 9,81 m/s². Vind het wrijvingsverlies h_f.

V = 2,3 m/sL = 300 mD = 200 mmf = 0,025g = 9,81 m/s²

h_f = m

22.Leidingwrijving en drukhoogteverliesMoeilijk

Twee open reservoirs zijn verbonden door een leiding van 150 m lang met een binnendiameter van 200 mm en een Darcy-wrijvingsfactor f = 0,018. Het wateroppervlak van het bovenste reservoir ligt 16 m boven dat van het onderste. De plaatselijke verliezen zijn een scherpe intrede (K = 0,5), 2 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. Vind het debiet Q in L/s.

Δz = 16 mL = 150 mD = 200 mmf = 0,018K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×2)K_valve = 2K_exit = 1,0

Q = L/s

23.Pompen en pompvermogenGemiddeld

Een pomp levert 80 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) tegen een opvoerhoogte van 12 m. Het pomprendement is 80% 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 = 80 L/sH = 12 mη_pump = 80%η_motor = 90%g = 9,81 m/s²

P_el = kW

24.Pompen en pompvermogenMoeilijk

Een pomp verplaatst 120 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) van een open lager reservoir naar een hoger gelegen tank waarvan het wateroppervlak 33 m hoger ligt. De leiding is 150 m lang met een binnendiameter van 250 mm en een Darcy-wrijvingsfactor f = 0,015; de coëfficiënten voor plaatselijke verliezen tellen op tot ΣK = 8 (intrede en uittrede inbegrepen). Gebruik g = 9,81 m/s². Het pomprendement is 70%. Vind het asvermogen P_shaft in kW.

Q = 120 L/sΔz = 33 mL = 150 mD = 250 mmf = 0,015ΣK = 8η = 70%

P_shaft = kW

3Oplossingen

1.Massabalans

Antwoord: ṁ₂ = 200 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) = 600·(10 − 15)/(15 − 30) = 200 kg/h

Antwoord

ṁ₂ = 200 kg/h

2.Massabalans

Antwoord: P = 651,4 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 = 1900·12/35 = 651,4 kg/h

Antwoord

P = 651,4 kg/h

3.Energiebalans

Antwoord: t_out = 82,54 °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 = 1,5·2,44·(150 − 120) = 109,8 kW

Warmte opgenomen door het water

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 30 + 109,8/(0,5·4,18) = 82,54 °C

Antwoord

t_out = 82,54 °C

4.Energiebalans

Antwoord: ṁ_c = 3,152 kg/s

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

Afgegeven warmte

Q_h = 3·2,44·(160 − 80) = 585,6 kW

Warmte die het water bereikt

Q_c = (1 − 0,1)·585,6 = 527 kW

Waterdebiet

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 527/(4,18·40) = 3,152 kg/s

Antwoord

ṁ_c = 3,152 kg/s

5.Ideale gaswet

Antwoord: V = 24,6 L

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

Mol

n = 170/39,95 = 4,255 mol

T = 5 + 273,15 = 278,1 K

Volume

V = nRT/P = 4,255·8,314·278,1/400 = 24,6 L

Antwoord

V = 24,6 L

6.Ideale gaswet

Antwoord: ρ = 12,93 kg/m³

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

Herschrijf de gaswet

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Dichtheid

ρ = 950·39,95/(8,314·353,1) = 12,93 kg/m³

Antwoord

ρ = 12,93 kg/m³

7.Stoichiometrie

Antwoord: m = 4,505 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) = 10/32 = 0,3125 mol

Beperkende reactant

0,2721/1 = 0,2721, 0,3125/5 = 0,0625 → O₂

Massa product

n(H₂O) = 0,0625·4 = 0,25 mol

m = 0,25·18,02 = 4,505 g

Antwoord

m = 4,505 g

8.Stoichiometrie

Antwoord: Y = 55,04 %

Theoretische opbrengst

n(CaCO₃) = 30/100,09 = 0,2997 mol

m = 0,2997·1/1·44,01 = 13,19 g

Rendement

Y = 7,26/13,19·100 = 55,04%

Antwoord

Y = 55,04%

9.Chemisch evenwicht

Antwoord: [H₂] = 0,08889 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

49 = (2x)²/(0,4 − x)²

Neem de wortel

7 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·7/(2 + 7) = 0,3111 mol/L

Evenwichtsconcentratie

[H₂] = 0,4 − x = 0,08889 mol/L

Antwoord

[H₂] = 0,08889 mol/L

10.Chemisch evenwicht

Antwoord: [Cl₂] = 0,4301 mol/L

Evenwichtsvoorwaarde

0,5 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,5·x − 0,4 = 0

Los de vierkantsvergelijking op

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,4))/2 = 0,4301 mol/L

Evenwichtsconcentratie

[Cl₂] = x = 0,4301 mol/L

Antwoord

[Cl₂] = 0,4301 mol/L

11.Calorimetrie en enthalpie

Antwoord: T_f = 23,05 °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

150·0,129·(80 − T_f) = 250·4,18·(T_f − 22)

Los de eindtemperatuur op

T_f = (19,35·80 + 1045·22)/(19,35 + 1045) = 23,05 °C

Antwoord

T_f = 23,05 °C

12.Calorimetrie en enthalpie

Antwoord: q = 777,6 kJ

Reactie-enthalpie

ΔH° = [6·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [1·(−1274) + 6·0] = −2802 kJ

Warmte voor de gegeven massa

n = 50/180,16 = 0,2775 mol

q = n·|ΔH°/1| = 0,2775·2802 = 777,6 kJ

Antwoord

q = 777,6 kJ

13.Reactiekinetiek

Antwoord: t = 32 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).

Omgezette hoeveelheid

C_A0·X = 0,8·0,4 = 0,32 mol/L

Tijd

t = C_A0·X/k = 0,32/0,01 = 32 min

Antwoord

t = 32 min

14.Reactiekinetiek

Antwoord: n = 1

Beginsnelheidsmethode: voor r = k·Cⁿ valt k weg als je twee proeven vergelijkt die alleen in de beginconcentratie verschillen: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Een verdubbeling van C verdubbelt de snelheid bij eerste orde en verviervoudigt haar bij tweede orde.

Verhoudingen

r₂/r₁ = 0,015/0,005 = 3

C₂/C₁ = 1,5/0,5 = 3

Orde

n = ln(3)/ln(3) = 1

Antwoord

n = 1

15.Reactordimensionering (CSTR en PFR)

Antwoord: V = 138,6 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))/0,2 = 0,6931/0,2 = 3,466 min

Volume

V = Q·τ = 40·3,466 = 138,6 L

Antwoord

V = 138,6 L

16.Reactordimensionering (CSTR en PFR)

Antwoord: X = 23,08 %

Verblijftijd

τ = V/Q = 150/50 = 3 min, kτ = 0,1·3 = 0,3

Conversie

X = kτ/(1 + kτ) = 0,3/(1 + 0,3) = 23,08%

Antwoord

X = 23,08%

17.Warmtewisselaars (LMTD)

Antwoord: A = 0,3266 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 = 1,5·4,18·(30 − 10) = 125,4 kW

Temperatuurverschillen aan de uiteinden

ΔT₁ = 130 − 10 = 120 K

ΔT₂ = 130 − 30 = 100 K

Logaritmisch gemiddeld temperatuurverschil

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (120 − 100)/ln(120/100) = 109,7 K

Oppervlak

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 125400/(3500·109,7) = 0,3266 m²

Antwoord

A = 0,3266 m²

18.Warmtewisselaars (LMTD)

Antwoord: A = 10,25 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) = 2·2,5·65 = 325 kW

T_c,out = 10 + 325/(1·4,18) = 87,75 °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 = 145 − 87,75 = 57,25 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 80 − 10 = 70 K

Logaritmisch gemiddeld temperatuurverschil

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (57,25 − 70)/ln(57,25/70) = 63,41 K

Oppervlak

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 325000/(500·63,41) = 10,25 m²

Antwoord

A = 10,25 m²

19.Warmtegeleiding

Antwoord: Q̇ = 52,46 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) = (150/1000)/(0,17·6) = 0,1471 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0,17·6) = 0,02451 K/W

Warmtestroom

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 9/0,1716 = 52,46 W

Antwoord

Q̇ = 52,46 W

20.Warmtegeleiding

Antwoord: U = 2,401 W/(m²·K)

Weerstanden in serie

R_i = 1/(h_iA) = 1/(6·10) = 0,01667 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (50/1000)/(0,72·10) = 0,006944 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0,17·10) = 0,01471 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·10) = 0,003333 K/W

ΣR = 0,04165 K/W

Warmtedoorgangscoëfficiënt

U = 1/(A·ΣR) = 1/(10·0,04165) = 2,401 W/(m²·K)

Antwoord

U = 2,401 W/(m²·K)

21.Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Antwoord: h_f = 10,11 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.

Snelheidshoogte

V²/(2g) = 2,3²/(2·9,81) = 0,2696 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(300/0,2)·2,3²/(2·9,81) = 10,11 m

Antwoord

h_f = 10,11 m

22.Leidingwrijving en drukhoogteverlies

Antwoord: Q = 132,7 L/s

Verliescoëfficiënten

f·L/D = 0,018·150/0,2 = 13,5

ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

Energievergelijking

Beide oppervlakken staan open naar de lucht en zijn praktisch in rust, dus heel Δz gaat verloren in de leiding.

16 = (13,5 + 4,1)·V²/(2·9,81)

V = √(2·9,81·16/17,6) = 4,223 m/s

Debiet

Q = V·π·D²/4 = 4,223·0,03142 = 0,1327 m³/s = 132,7 L/s

Antwoord

Q = 132,7 L/s

23.Pompen en pompvermogen

Antwoord: P_el = 13,08 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 = 1000·9,81·0,08·12 = 9,418 kW

Asvermogen

P_shaft = 9,418/0,8 = 11,77 kW

Elektrisch vermogen

P_el = 11,77/0,9 = 13,08 kW

Antwoord

P_el = 13,08 kW

24.Pompen en pompvermogen

Antwoord: P_shaft = 64,2 kW

Snelheid

V = Q/A = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s

V²/(2g) = 0,3046 m

Drukhoogteverliezen

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (9 + 8)·0,3046 = 5,178 m

Opvoerhoogte van de pomp

H = Δz + h_L = 33 + 5,178 = 38,18 m

Asvermogen

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,12·38,18/0,7 = 64,2 kW

Antwoord

P_shaft = 64,2 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

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

Omgezette hoeveelheid

Tijd

Antwoord

Verhoudingen

Orde

Antwoord

Verblijftijd

Volume

Antwoord

Verblijftijd

Conversie

Antwoord

Warmtevermogen aan de waterkant

Temperatuurverschillen aan de uiteinden

Logaritmisch gemiddeld temperatuurverschil

Oppervlak

Antwoord

Warmtevermogen en uittredetemperatuur van het water

Temperatuurverschillen aan de uiteinden

Logaritmisch gemiddeld temperatuurverschil

Oppervlak

Antwoord

Weerstanden van de lagen

Los op naar ṁ₂