Massa- en energiebalansen: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 8 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgavenTerug 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·xF = P·xP, W = F − P

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

  1. Schrijf de reactievergelijking op en maak hem kloppend.
  2. Reken de gegeven massa om naar mol: n = m/M.
  3. Gebruik de coëfficiënten als molverhouding om de mol van de gezochte stof te vinden.
  4. Reken terug naar massa met m = n·M. Bepaal bij twee reactanten eerst de beperkende reactant.

2Oefenopgaven

1.MassabalansGemiddeld
MengerStroom 1650 kg/h · 10% NaOHStroom 2ṁ₂ = ? · 40% NaOHProduct20% NaOH

Hoeveel van stroom 2 moet er per uur aan stroom 1 worden toegevoegd zodat het mengsel 20% NaOH bevat? Vind ṁ2.

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 10 %x2 = 40 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.MassabalansMoeilijk
VerdamperVoeding F1800 kg/h · 19% zoutProduct P30% zoutDamp W (zuiver water)W = ? kg/h

Een verdamper concentreert een zoutoplossing door zuiver water te verdampen. Vind het verdampte water W in kg/h.

F = 1800 kg/hxF = 19 %xP = 30 %
W = kg/h
3.EnergiebalansGemiddeld
warme kantkoude kantethanol · 160 °C90 °Cwater · 15 °Ct = ? °C

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: 160 → 90 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.EnergiebalansMoeilijk
warme kantkoude kantlichte olie · 170 °C110 °Cwater · 20 °C45 °C · ṁ = ?10% verlies

Warme lichte olie 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 = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 110 °Ct: 20 → 45 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)verlies = 10 %
ṁc = kg/s
5.Ideale gaswetGemiddeld
360 g CO₂V = 5 LT = 20 °CP = ?

Een tank van 5 L bevat 360 g CO₂ bij 20 °C. Behandel het als een ideaal gas en vind de druk P.

m = 360 gM = 44,01 g/molV = 5 LT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ideale gaswetMoeilijk
O₂, M = 32 g/molP = 450 kPaT = 30 °Cρ = ?

Vind de dichtheid ρ van O₂ bij 450 kPa en 30 °C, als ideaal gas.

M = 32 g/molP = 450 kPaT = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StoichiometrieGemiddeld
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

12 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
m(H2​)n(H2​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(H2​)× 2/2× M(H2​O)

Bij de reactie 2H2 + O2 → 2H2O reageert 10 g H2 volledig (de andere beginstoffen in overmaat) en wordt 78,66 g H2O opgevangen. Bereken het rendement Y.

M(H2) = 2,016 g/molM(H2O) = 18,02 g/molwerkelijk: 78,66 g
Y = %

3Oplossingen

1.Massabalans

Antwoord: ṁ2 = 325 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) = 650·(10 − 20)/(20 − 40) = 325 kg/h

Antwoord

ṁ2 = 325 kg/h
2.Massabalans

Antwoord: W = 660 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 = 1800·19/30 = 1140 kg/h

Totaalbalans

W = F − P = 1800 − 1140 = 660 kg/h

Antwoord

W = 660 kg/h
3.Energiebalans

Antwoord: tout = 49,05 °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·(160 − 90) = 427 kW

Warmte opgenomen door het water

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 427/(3·4,18) = 49,05 °C

Antwoord

tout = 49,05 °C
4.Energiebalans

Antwoord: ṁc = 1,085 kg/s

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

Afgegeven warmte

Qh = 1·2,1·(170 − 110) = 126 kW

Warmte die het water bereikt

Qc = (1 − 0,1)·126 = 113,4 kW

Waterdebiet

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 113,4/(4,18·25) = 1,085 kg/s

Antwoord

ṁc = 1,085 kg/s
5.Ideale gaswet

Antwoord: P = 3987 kPa

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

Mol

n = m/M = 360/44,01 = 8,18 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K

Druk

P = nRT/V = 8,18·8,314·293,1/0,005 = 3987 kPa

Antwoord

P = 3987 kPa
6.Ideale gaswet

Antwoord: ρ = 5,713 kg/m³

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

Herschrijf de gaswet

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 30 + 273,15 = 303,1 K

Dichtheid

ρ = 450·32/(8,314·303,1) = 5,713 kg/m³

Antwoord

ρ = 5,713 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) = 12/22,99 = 0,522 mol
n(Cl2) = 16/70,9 = 0,2257 mol

Beperkende reactant

0,522/2 = 0,261, 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 = 88 %

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(H2) = 10/2,016 = 4,96 mol
m = 4,96·2/2·18,02 = 89,38 g

Rendement

Y = 78,66/89,38·100 = 88%

Antwoord

Y = 88%

ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances