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 1250 kg/h · 30% suikerStroom 2ṁ₂ = ? · 20% suikerProduct25% suiker

Hoeveel van stroom 2 moet er per uur aan stroom 1 worden toegevoegd zodat het mengsel 25% suiker bevat? Vind ṁ2.

ṁ1 = 250 kg/hx1 = 30 %x2 = 20 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.MassabalansMoeilijk
VerdamperVoeding F2900 kg/h · 20% NaOHProduct P35% NaOHDamp W (zuiver water)W = ? kg/h

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

F = 2900 kg/hxF = 20 %xP = 35 %
W = kg/h
3.EnergiebalansGemiddeld
warme kantkoude kantethanol · 130 °C70 °Cwater · 10 °Ct = ? °C

Warme ethanol koelt water in een tegenstroomwarmtewisselaar zonder warmteverlies. Vind de uittredetemperatuur van het water tout.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 70 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.EnergiebalansMoeilijk
warme kantkoude kantglycolmengsel · 170 °C100 °Cwater · 30 °C85 °C · ṁ = ?15% verlies

Warme glycolmengsel 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 = 3 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 170 → 100 °Ct: 30 → 85 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)verlies = 15 %
ṁc = kg/s
5.Ideale gaswetGemiddeld
350 g ArV = 20 LT = 45 °CP = ?

Een tank van 20 L bevat 350 g Ar bij 45 °C. Behandel het als een ideaal gas en vind de druk P.

m = 350 gM = 39,95 g/molV = 20 LT = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Ideale gaswetMoeilijk
N₂, M = 28,01 g/molP = 750 kPaT = 130 °Cρ = ?

Vind de dichtheid ρ van N₂ bij 750 kPa en 130 °C, als ideaal gas.

M = 28,01 g/molP = 750 kPaT = 130 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StoichiometrieGemiddeld
m(X)n(X)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(X)× 2/ν× M(NH3​)

12 g N2 en 8 g H2 reageren volgens N2 + 3H2 → 2NH3. Hoeveel massa m NH3 kan er ontstaan?

M(N2) = 28,02M(H2) = 2,016M(NH3) = 17,03 g/mol
m = g
8.StoichiometrieMoeilijk
m(Na)n(Na)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(Na)× 2/2× M(NaCl)

Bij de reactie 2Na + Cl2 → 2NaCl reageert 12 g Na volledig (de andere beginstoffen in overmaat) en wordt 27,76 g NaCl opgevangen. Bereken het rendement Y.

M(Na) = 22,99 g/molM(NaCl) = 58,44 g/molwerkelijk: 27,76 g
Y = %

3Oplossingen

1.Massabalans

Antwoord: ṁ2 = 250 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) = 250·(30 − 25)/(25 − 20) = 250 kg/h

Antwoord

ṁ2 = 250 kg/h
2.Massabalans

Antwoord: W = 1243 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 = 2900·20/35 = 1657 kg/h

Totaalbalans

W = F − P = 2900 − 1657 = 1243 kg/h

Antwoord

W = 1243 kg/h
3.Energiebalans

Antwoord: tout = 33,35 °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 = 1·2,44·(130 − 70) = 146,4 kW

Warmte opgenomen door het water

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 146,4/(1,5·4,18) = 33,35 °C

Antwoord

tout = 33,35 °C
4.Energiebalans

Antwoord: ṁc = 2,795 kg/s

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

Afgegeven warmte

Qh = 3·3,6·(170 − 100) = 756 kW

Warmte die het water bereikt

Qc = (1 − 0,15)·756 = 642,6 kW

Waterdebiet

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 642,6/(4,18·55) = 2,795 kg/s

Antwoord

ṁc = 2,795 kg/s
5.Ideale gaswet

Antwoord: P = 1159 kPa

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

Mol

n = m/M = 350/39,95 = 8,761 mol
T = 45 + 273,15 = 318,1 K

Druk

P = nRT/V = 8,761·8,314·318,1/0,02 = 1159 kPa

Antwoord

P = 1159 kPa
6.Ideale gaswet

Antwoord: ρ = 6,268 kg/m³

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

Herschrijf de gaswet

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 130 + 273,15 = 403,1 K

Dichtheid

ρ = 750·28,01/(8,314·403,1) = 6,268 kg/m³

Antwoord

ρ = 6,268 kg/m³
7.Stoichiometrie

Antwoord: m = 14,59 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(N2) = 12/28,02 = 0,4283 mol
n(H2) = 8/2,016 = 3,968 mol

Beperkende reactant

0,4283/1 = 0,4283, 3,968/3 = 1,323 → N2

Massa product

n(NH3) = 0,4283·2 = 0,8565 mol
m = 0,8565·17,03 = 14,59 g

Antwoord

m = 14,59 g
8.Stoichiometrie

Antwoord: Y = 91,01 %

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(Na) = 12/22,99 = 0,522 mol
m = 0,522·2/2·58,44 = 30,5 g

Rendement

Y = 27,76/30,5·100 = 91,01%

Antwoord

Y = 91,01%

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