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 20% NaOH bevat? Vind ṁ2.
ṁ1 = 650 kg/hx1 = 10 %x2 = 50 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.MassabalansMoeilijk
Een verdamper concentreert een suikeroplossing door zuiver water te verdampen. Vind het productdebiet P in kg/h.
F = 3400 kg/hxF = 12 %xP = 30 %
P = kg/h
3.EnergiebalansGemiddeld
Warme glycolmengsel koelt water in een tegenstroomwarmtewisselaar zonder warmteverlies. Vind de uittredetemperatuur van het water tout.
ṁh = 2,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 110 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.EnergiebalansMoeilijk
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 = 1,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 160 → 80 °Ct: 25 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)verlies = 15 %
ṁc = kg/s
5.Ideale gaswetGemiddeld
Welk volume V neemt 310 g CO₂ in bij 400 kPa en 50 °C? Behandel het als een ideaal gas.
m = 310 gM = 44,01 g/molP = 400 kPaT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Ideale gaswetMoeilijk
Een vaste hoeveelheid He gaat van 400 kPa, 2 L, 25 °C naar 650 kPa en 100 °C. Vind het nieuwe volume V2.
P1 = 400 kPaV1 = 2 LT1 = 25 °CP2 = 650 kPaT2 = 100 °C
V2 = L
7.StoichiometrieGemiddeld
4 g C3H8 en 32 g O2 reageren volgens C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. Hoeveel massa m H2O kan er ontstaan?
M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StoichiometrieMoeilijk
Bij de reactie N2 + 3H2 → 2NH3 reageert 6 g N2 volledig (de andere beginstoffen in overmaat) en wordt 5,11 g NH3 opgevangen. Bereken het rendement Y.
M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molwerkelijk: 5,11 g
Y = %
3Oplossingen
1.Massabalans
Antwoord: ṁ2 = 216,7 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 − 50) = 216,7 kg/h
Antwoord
ṁ2 = 216,7 kg/h
2.Massabalans
Antwoord: P = 1360 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 = 3400·12/30 = 1360 kg/h
Antwoord
P = 1360 kg/h
3.Energiebalans
Antwoord: tout = 96,12 °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 = 2,5·3,6·(150 − 110) = 360 kW
Warmte opgenomen door het water
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 360/(1·4,18) = 96,12 °C
Antwoord
tout = 96,12 °C
4.Energiebalans
Antwoord: ṁc = 1,597 kg/s
Energiebalans met verliezen: afgegeven warmte = opgenomen warmte + verloren warmte.
Afgegeven warmte
Qh = 1,5·3,6·(160 − 80) = 432 kW
Warmte die het water bereikt
Qc = (1 − 0,15)·432 = 367,2 kW
Waterdebiet
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 367,2/(4,18·55) = 1,597 kg/s
Antwoord
ṁc = 1,597 kg/s
5.Ideale gaswet
Antwoord: V = 47,31 L
Ideale gaswet: PV = nRT, met n = m/M.
Mol
n = 310/44,01 = 7,044 mol
T = 50 + 273,15 = 323,1 K
Volume
V = nRT/P = 7,044·8,314·323,1/400 = 47,31 L
Antwoord
V = 47,31 L
6.Ideale gaswet
Antwoord: V2 = 1,54 L
Algemene gaswet: voor een vaste hoeveelheid ideaal gas geldt P1V1/T1 = P2V2/T2.
Absolute temperaturen
T1 = 298,1 K, T2 = 373,1 K
Algemene gaswet
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(400/650)·(373,1/298,1) = 1,54 L
Antwoord
V2 = 1,54 L
7.Stoichiometrie
Antwoord: m = 6,538 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(C3H8) = 4/44,1 = 0,0907 mol
n(O2) = 32/32 = 1 mol
Beperkende reactant
0,0907/1 = 0,0907, 1/5 = 0,2 → C3H8
Massa product
n(H2O) = 0,0907·4 = 0,3628 mol
m = 0,3628·18,02 = 6,538 g
Antwoord
m = 6,538 g
8.Stoichiometrie
Antwoord: Y = 70,06 %
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) = 6/28,02 = 0,2141 mol
m = 0,2141·2/1·17,03 = 7,293 g
Rendement
Y = 5,11/7,293·100 = 70,06%
Antwoord
Y = 70,06%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances