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 45% NaOH bevat? Vind ṁ2.
ṁ1 = 1000 kg/hx1 = 10 %x2 = 50 %x3 = 45 %
ṁ2 = kg/h
2.MassabalansMoeilijk
Een verdamper concentreert een suikeroplossing door zuiver water te verdampen. Vind het productdebiet P in kg/h.
F = 2400 kg/hxF = 13 %xP = 40 %
P = kg/h
3.EnergiebalansGemiddeld
Warme lichte olie koelt water in een tegenstroomwarmtewisselaar zonder warmteverlies. Vind de uittredetemperatuur van het water tout.
ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 70 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °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 ṁc.
ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 90 °Ct: 20 → 85 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)verlies = 15 %
ṁc = kg/s
5.Ideale gaswetGemiddeld
Welk volume V neemt 140 g Ar in bij 450 kPa en 5 °C? Behandel het als een ideaal gas.
m = 140 gM = 39,95 g/molP = 450 kPaT = 5 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ideale gaswetMoeilijk
Vind de dichtheid ρ van Ar bij 750 kPa en 50 °C, als ideaal gas.
M = 39,95 g/molP = 750 kPaT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StoichiometrieGemiddeld
20 g Na en 16 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 2Mg + O2 → 2MgO reageert 8 g Mg volledig (de andere beginstoffen in overmaat) en wordt 10,87 g MgO opgevangen. Bereken het rendement Y.
M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molwerkelijk: 10,87 g
Y = %
3Oplossingen
1.Massabalans
Antwoord: ṁ2 = 7000 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) = 1000·(10 − 45)/(45 − 50) = 7000 kg/h
Antwoord
ṁ2 = 7000 kg/h
2.Massabalans
Antwoord: P = 780 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 = 2400·13/40 = 780 kg/h
Antwoord
P = 780 kg/h
3.Energiebalans
Antwoord: tout = 62,68 °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 = 2,5·2,1·(130 − 70) = 315 kW
Warmte opgenomen door het water
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 315/(2·4,18) = 62,68 °C
Antwoord
tout = 62,68 °C
4.Energiebalans
Antwoord: ṁc = 0,2956 kg/s
Energiebalans met verliezen: afgegeven warmte = opgenomen warmte + verloren warmte.
Afgegeven warmte
Qh = 0,5·2,1·(180 − 90) = 94,5 kW
Warmte die het water bereikt
Qc = (1 − 0,15)·94,5 = 80,33 kW
Waterdebiet
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 80,33/(4,18·65) = 0,2956 kg/s
Antwoord
ṁc = 0,2956 kg/s
5.Ideale gaswet
Antwoord: V = 18,01 L
Ideale gaswet: PV = nRT, met n = m/M.
Mol
n = 140/39,95 = 3,504 mol
T = 5 + 273,15 = 278,1 K
Volume
V = nRT/P = 3,504·8,314·278,1/450 = 18,01 L
Antwoord
V = 18,01 L
6.Ideale gaswet
Antwoord: ρ = 11,15 kg/m³
Dichtheid van een ideaal gas: ρ = PM/(RT).
Herschrijf de gaswet
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 50 + 273,15 = 323,1 K
Dichtheid
ρ = 750·39,95/(8,314·323,1) = 11,15 kg/m³
Antwoord
ρ = 11,15 kg/m³
7.Stoichiometrie
Antwoord: m = 26,38 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) = 20/22,99 = 0,8699 mol
n(Cl2) = 16/70,9 = 0,2257 mol
Beperkende reactant
0,8699/2 = 0,435, 0,2257/1 = 0,2257 → Cl2
Massa product
n(NaCl) = 0,2257·2 = 0,4513 mol
m = 0,4513·58,44 = 26,38 g
Antwoord
m = 26,38 g
8.Stoichiometrie
Antwoord: Y = 81,96 %
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) = 8/24,31 = 0,3291 mol
m = 0,3291·2/2·40,3 = 13,26 g
Rendement
Y = 10,87/13,26·100 = 81,96%
Antwoord
Y = 81,96%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances