Massabalans
- Stationaire toestand
- in = uit
- Totaalbalans
- ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
- Componentenbalans
- ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
- Verdamper
- F·xF = P·xP, W = F − P
Massa- en energiebalansen: samenvattingspakket
Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 8 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.
1Formules en methoden
Energiebalans
- Voelbare warmte
- Q = ṁ·cp·ΔT
- Latente warmte
- Q = ṁ·hfg
- Mengen
- ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
- Water
- cp ≈ 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.
2Oefenopgaven
1.MassabalansGemiddeld
Hoeveel van stroom 2 moet er per uur aan stroom 1 worden toegevoegd zodat het mengsel 30% NaOH bevat? Vind ṁ2.
ṁ1 = 500 kg/hx1 = 10 %x2 = 40 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.MassabalansMoeilijk
Een verdamper concentreert een suikeroplossing door zuiver water te verdampen. Vind het verdampte water W in kg/h.
F = 2900 kg/hxF = 7 %xP = 40 %
W = kg/h
3.EnergiebalansGemiddeld
Warme ethanol koelt water in een tegenstroomwarmtewisselaar zonder warmteverlies. Vind de uittredetemperatuur van het water tout.
ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 110 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.EnergiebalansMoeilijk
Warme lichte olie verwarmt water in een warmtewisselaar die 5% van de door de warme stroom afgegeven warmte aan de omgeving verliest. Vind het benodigde waterdebiet ṁc.
ṁh = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 140 °Ct: 20 → 90 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)verlies = 5 %
ṁc = kg/s
5.Ideale gaswetGemiddeld
Een tank van 30 L bevat 50 g CO₂ bij 0 °C. Behandel het als een ideaal gas en vind de druk P.
m = 50 gM = 44,01 g/molV = 30 LT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ideale gaswetMoeilijk
Vind de dichtheid ρ van He bij 900 kPa en 120 °C, als ideaal gas.
M = 4,003 g/molP = 900 kPaT = 120 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StoichiometrieGemiddeld
10 g CH4 en 64 g O2 reageren volgens CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Hoeveel massa m CO2 kan er ontstaan?
M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.StoichiometrieMoeilijk
Bij de reactie 2Mg + O2 → 2MgO reageert 16 g Mg volledig (de andere beginstoffen in overmaat) en wordt 21,75 g MgO opgevangen. Bereken het rendement Y.
M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molwerkelijk: 21,75 g
Y = %
3Oplossingen
1.Massabalans
Antwoord: ṁ2 = 1000 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) = 500·(10 − 30)/(30 − 40) = 1000 kg/h
Antwoord
ṁ2 = 1000 kg/h
2.Massabalans
Antwoord: W = 2393 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·xF = P·xP → P = 2900·7/40 = 507,5 kg/h
Totaalbalans
W = F − P = 2900 − 507,5 = 2393 kg/h
Antwoord
W = 2393 kg/h
3.Energiebalans
Antwoord: tout = 88,37 °C
Energiebalans van de warmtewisselaar: zonder verliezen geldt ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Warmte afgegeven door de warme stroom
Q = 2,5·2,44·(170 − 110) = 366 kW
Warmte opgenomen door het water
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 366/(1,5·4,18) = 88,37 °C
Antwoord
tout = 88,37 °C
4.Energiebalans
Antwoord: ṁc = 0,2045 kg/s
Energiebalans met verliezen: afgegeven warmte = opgenomen warmte + verloren warmte.
Afgegeven warmte
Qh = 1·2,1·(170 − 140) = 63 kW
Warmte die het water bereikt
Qc = (1 − 0,05)·63 = 59,85 kW
Waterdebiet
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 59,85/(4,18·70) = 0,2045 kg/s
Antwoord
ṁc = 0,2045 kg/s
5.Ideale gaswet
Antwoord: P = 86 kPa
Ideale gaswet: PV = nRT, met n = m/M.
Mol
n = m/M = 50/44,01 = 1,136 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K
Druk
P = nRT/V = 1,136·8,314·273,1/0,03 = 86 kPa
Antwoord
P = 86 kPa
6.Ideale gaswet
Antwoord: ρ = 1,102 kg/m³
Dichtheid van een ideaal gas: ρ = PM/(RT).
Herschrijf de gaswet
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 120 + 273,15 = 393,1 K
Dichtheid
ρ = 900·4,003/(8,314·393,1) = 1,102 kg/m³
Antwoord
ρ = 1,102 kg/m³
7.Stoichiometrie
Antwoord: m = 27,44 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(CH4) = 10/16,04 = 0,6234 mol
n(O2) = 64/32 = 2 mol
Beperkende reactant
0,6234/1 = 0,6234, 2/2 = 1 → CH4
Massa product
n(CO2) = 0,6234·1 = 0,6234 mol
m = 0,6234·44,01 = 27,44 g
Antwoord
m = 27,44 g
8.Stoichiometrie
Antwoord: Y = 82 %
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.
Theoretische opbrengst
n(Mg) = 16/24,31 = 0,6582 mol
m = 0,6582·2/2·40,3 = 26,52 g
Rendement
Y = 21,75/26,52·100 = 82%
Antwoord
Y = 82%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances