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% suiker bevat? Vind ṁ2.
ṁ1 = 1000 kg/hx1 = 10 %x2 = 45 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.MassabalansMoeilijk
Een verdamper concentreert een NaOHoplossing door zuiver water te verdampen. Vind het productdebiet P in kg/h.
F = 4600 kg/hxF = 6 %xP = 35 %
P = kg/h
3.EnergiebalansGemiddeld
Warme ethanol koelt water in een tegenstroomwarmtewisselaar zonder warmteverlies. Vind de uittredetemperatuur van het water tout.
ṁh = 2 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 60 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °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 ṁc.
ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 100 °Ct: 15 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)verlies = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ideale gaswetGemiddeld
Welk volume V neemt 370 g He in bij 550 kPa en 20 °C? Behandel het als een ideaal gas.
m = 370 gM = 4,003 g/molP = 550 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ideale gaswetMoeilijk
Vind de dichtheid ρ van Ar bij 400 kPa en 10 °C, als ideaal gas.
M = 39,95 g/molP = 400 kPaT = 10 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StoichiometrieGemiddeld
30 g H2 en 48 g O2 reageren volgens 2H2 + O2 → 2H2O. Hoeveel massa m H2O kan er ontstaan?
M(H2) = 2,016M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StoichiometrieMoeilijk
Bij de reactie N2 + 3H2 → 2NH3 reageert 12 g N2 volledig (de andere beginstoffen in overmaat) en wordt 12,84 g NH3 opgevangen. Bereken het rendement Y.
M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molwerkelijk: 12,84 g
Y = %
3Oplossingen
1.Massabalans
Antwoord: ṁ2 = 1333 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) = 1000·(10 − 30)/(30 − 45) = 1333 kg/h
Antwoord
ṁ2 = 1333 kg/h
2.Massabalans
Antwoord: P = 788,6 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 = 4600·6/35 = 788,6 kg/h
Antwoord
P = 788,6 kg/h
3.Energiebalans
Antwoord: tout = 79,48 °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 = 2·2,44·(130 − 60) = 341,6 kW
Warmte opgenomen door het water
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 341,6/(1,5·4,18) = 79,48 °C
Antwoord
tout = 79,48 °C
4.Energiebalans
Antwoord: ṁc = 0,2627 kg/s
Energiebalans met verliezen: afgegeven warmte = opgenomen warmte + verloren warmte.
Afgegeven warmte
Qh = 0,5·2,44·(160 − 100) = 73,2 kW
Warmte die het water bereikt
Qc = (1 − 0,1)·73,2 = 65,88 kW
Waterdebiet
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 65,88/(4,18·60) = 0,2627 kg/s
Antwoord
ṁc = 0,2627 kg/s
5.Ideale gaswet
Antwoord: V = 409,6 L
Ideale gaswet: PV = nRT, met n = m/M.
Mol
n = 370/4,003 = 92,43 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K
Volume
V = nRT/P = 92,43·8,314·293,1/550 = 409,6 L
Antwoord
V = 409,6 L
6.Ideale gaswet
Antwoord: ρ = 6,788 kg/m³
Dichtheid van een ideaal gas: ρ = PM/(RT).
Herschrijf de gaswet
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 10 + 273,15 = 283,1 K
Dichtheid
ρ = 400·39,95/(8,314·283,1) = 6,788 kg/m³
Antwoord
ρ = 6,788 kg/m³
7.Stoichiometrie
Antwoord: m = 54,06 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(H2) = 30/2,016 = 14,88 mol
n(O2) = 48/32 = 1,5 mol
Beperkende reactant
14,88/2 = 7,44, 1,5/1 = 1,5 → O2
Massa product
n(H2O) = 1,5·2 = 3 mol
m = 3·18,02 = 54,06 g
Antwoord
m = 54,06 g
8.Stoichiometrie
Antwoord: Y = 88,03 %
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(N2) = 12/28,02 = 0,4283 mol
m = 0,4283·2/1·17,03 = 14,59 g
Rendement
Y = 12,84/14,59·100 = 88,03%
Antwoord
Y = 88,03%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances