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% zout bevat? Vind ṁ2.
ṁ1 = 750 kg/hx1 = 40 %x2 = 15 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.MassabalansMoeilijk
Een verdamper concentreert een zoutoplossing door zuiver water te verdampen. Vind het productdebiet P in kg/h.
F = 4700 kg/hxF = 14 %xP = 35 %
P = kg/h
3.EnergiebalansGemiddeld
Warme lichte olie koelt water in een tegenstroomwarmtewisselaar zonder warmteverlies. Vind de uittredetemperatuur van het water tout.
ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 60 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °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 = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Ct: 25 → 70 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)verlies = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ideale gaswetGemiddeld
Welk volume V neemt 100 g O₂ in bij 300 kPa en 40 °C? Behandel het als een ideaal gas.
m = 100 gM = 32 g/molP = 300 kPaT = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ideale gaswetMoeilijk
Een vaste hoeveelheid CO₂ gaat van 300 kPa, 20 L, 30 °C naar 200 kPa en 240 °C. Vind het nieuwe volume V2.
P1 = 300 kPaV1 = 20 LT1 = 30 °CP2 = 200 kPaT2 = 240 °C
V2 = L
7.StoichiometrieGemiddeld
6 g Na en 40 g Cl2 reageren volgens 2Na + Cl2 → 2NaCl. Hoeveel massa m NaCl kan er ontstaan?
M(Na) = 22,99M(Cl2) = 70,9M(NaCl) = 58,44 g/mol
m = g
8.StoichiometrieMoeilijk
Bij de reactie CaCO3 → CaO + CO2 reageert 16 g CaCO3 volledig (de andere beginstoffen in overmaat) en wordt 4,92 g CO2 opgevangen. Bereken het rendement Y.
M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CO2) = 44,01 g/molwerkelijk: 4,92 g
Y = %
3Oplossingen
1.Massabalans
Antwoord: ṁ2 = 500 kg/h
Stationaire massabalans: in = uit voor het totaal en voor elke component. Mengproblemen combineren beide.
Balansen
Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
zout: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
Los op naar ṁ2
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 750·(40 − 30)/(30 − 15) = 500 kg/h
Antwoord
ṁ2 = 500 kg/h
2.Massabalans
Antwoord: P = 1880 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 = 4700·14/35 = 1880 kg/h
Antwoord
P = 1880 kg/h
3.Energiebalans
Antwoord: tout = 42,61 °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 = 1,5·2,1·(120 − 60) = 189 kW
Warmte opgenomen door het water
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 189/(2·4,18) = 42,61 °C
Antwoord
tout = 42,61 °C
4.Energiebalans
Antwoord: ṁc = 1,751 kg/s
Energiebalans met verliezen: afgegeven warmte = opgenomen warmte + verloren warmte.
Afgegeven warmte
Qh = 3·2,44·(120 − 70) = 366 kW
Warmte die het water bereikt
Qc = (1 − 0,1)·366 = 329,4 kW
Waterdebiet
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 329,4/(4,18·45) = 1,751 kg/s
Antwoord
ṁc = 1,751 kg/s
5.Ideale gaswet
Antwoord: V = 27,12 L
Ideale gaswet: PV = nRT, met n = m/M.
Mol
n = 100/32 = 3,125 mol
T = 40 + 273,15 = 313,1 K
Volume
V = nRT/P = 3,125·8,314·313,1/300 = 27,12 L
Antwoord
V = 27,12 L
6.Ideale gaswet
Antwoord: V2 = 50,78 L
Algemene gaswet: voor een vaste hoeveelheid ideaal gas geldt P1V1/T1 = P2V2/T2.
Absolute temperaturen
T1 = 303,1 K, T2 = 513,1 K
Algemene gaswet
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(300/200)·(513,1/303,1) = 50,78 L
Antwoord
V2 = 50,78 L
7.Stoichiometrie
Antwoord: m = 15,25 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(Na) = 6/22,99 = 0,261 mol
n(Cl2) = 40/70,9 = 0,5642 mol
Beperkende reactant
0,261/2 = 0,1305, 0,5642/1 = 0,5642 → Na
Massa product
n(NaCl) = 0,1305·2 = 0,261 mol
m = 0,261·58,44 = 15,25 g
Antwoord
m = 15,25 g
8.Stoichiometrie
Antwoord: Y = 69,93 %
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(CaCO3) = 16/100,09 = 0,1599 mol
m = 0,1599·1/1·44,01 = 7,035 g
Rendement
Y = 4,92/7,035·100 = 69,93%
Antwoord
Y = 69,93%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances