Uitwerking Hertentamen TB142-E 3 juli 2014 11-12 uur
Aanwijzingen:
• U mag gebruik maken van:
– schrijfmateriaal – rekenmachine
– formuleblad en periodiek systeem (afgedrukt achteraan dit tentamen).
De uitwerking van dit tentamen beslaat 22 vragen, op 10 pagina’s.
Het totaal aantal te behalen punten was 60.
Pagina: 1 2 3 4 5 6 7 Totaal:
Punten: 12 8 12 2 10 4 12 60
Score:
Toelichting meerkeuzevragen
• Bij elke deelvraag is slechts ´e´en antwoord juist.
• Aanvinken van meer dan ´e´en vakje per vraag wordt gerekend als een foute keuze
• De antwoorden op de meerkeuzevragen dienen op het antwoordformulier te worden beantwoord
• Let erop dat op het antwoordformulier de letters A, B, C en D per vraag door elkaar staan.
TB142-E Hertentamen 3 juli 2014 1. (2 punten) De Hemwegcentrale bij Amsterdam is een steenkoolgestookte thermische cen-
trale. De volgende uitspraak is juist: ”Een systeemdiagram van de Hemwegcentrale ...
A. ... laat altijd de inrichting van de stoomcyclus zien”.
B. ... geeft slechts een overzicht van de inputs en outputs van de centrale”.
C. ... geeft de centrale weer binnen een systeemgrens, en haar inputs en outputs”.
D. ... laat binnen de systeemgrens altijd meerdere systeemelementen zien”.
2. (2 punten) De volgende uitspraak is juist. ”Een consequentie van de 1e hoofdwet van de Thermodynamica is dat:
A. We een energiebalans voor een systeem kunnen opstellen”.
B. De accumulatie van de energie in een systeem gelijk is aan nul”.
C. De accumulatie van de energie in een systeem altijd verschilt van nul”.
D. De energie van een systeem constant is”.
3. (2 punten) De volgende uitspraak is niet juist:
A. De Hemwegcentrale produceert meer restwarmte dan elektriciteit B. In de Hemwegcentrale wordt warmte (deels) omgezet in arbeid C. In de Hemwegcentrale worden hoge temperaturen bereikt
D. De Hemwegcentrale verliest de meeste restwarmte via haar grote hoeveelheid rookgas
4. (2 punten) In de volgende elektriciteitscentrale vinden we normaliter geen stoomturbine:
A. Industri¨ele warmtekrachtcentrale B. geothermische centrale
C. kerncentrale
D. ”Concentrated Solar Power”centrale
5. (2 punten) Naast aardgas en steenkool wordt in Nederlandse thermische centrales ook ge- bruik gemaakt van de energiebronnen:
A. aardwarmte, afval en bruinkool B. afval, bruinkool en uranium C. afval, biomassa en uranium D. afval, biomassa en bruinkool
6. (2 punten) Het anti-klopmiddel tetra-ethyl-lood P b(C2H5)4wordt inmiddels niet meer toe- gepast in benzine, omdat lood giftig is voor mens en dier. De volgende uitspraak is juist.
”tetra-ethyl-lood is te beschouwen als...
A. een organische verbinding, immers het bevat zowel koolstof als waterstof B. een organische verbinding, omdat het koolstof-waterstof verbindingen bevat C. een anorganische verbinding, omdat het lood bevat
D. een anorganische verbinding, omdat het lood-koolstof verbindingen bevat
De volgende vier vragen (7-11) hebben betrekking op de volgende casus:
• Een fornuis van een thermische centrale wordt gestookt met zware stookolie
• Deze zware stookolie bevat koolwaterstoffen met een grote ketenlengte (rond C32), onverzadigde koolwaterstoffen (bijv. C32H60 en aromatische (benzeenachtige) ver- bindingen (-(C6H5)n.
• Gemiddeld is de structuurformule van de stoffen in deze stookolie daarom C32H48.
• Om de veiligheid te garanderen wordt het fornuis gestookt met 20% overmaat zuur- stof.
• Om te vergroenen is het bedrijf van plan biomassa-korreltjes (50 gew.% droge stof) bij te stoken in haar fornuis, om daarmee in 50% van haar brandstofbehoefte (LHV) te voorzien.
• De biomassa droge stof is gemiddeld te beschouwen als glucose, met structuurfor- mule C6H12O6
7. (2 punten) De volgende uitspraak voor de biomassa (droge stof) in relatie tot de zware stookolie is juist:
A. De verhoudingsformules zijn min-of-meer gelijk, maar de (quasi-)molgewichten verschillen nogal
B. De verhoudingsformules verschillen nogal, maar de (quasi-)molgewichten zijn min-of-meer gelijk
C. Zowel de verhoudingsformules als de (quasi-)molgewichten verschillen nogal D. Zowel de verhoudingsformules als de (quasi-)molgewichten zijn min-of-meer ge-
lijk
8. (3 punten) De zware stookolie bevat ook een kleine hoeveelheid lastig te verwijderen zwa- vel, onder meer in de stof H24C16− S − C16H24. Het molgewicht van deze stof is gelijk aan:
Uitwerking: Dit wordt berekend op basis van de verhoudingsformule voor het molecuul, en die is in dit geval C32H48S. Het quasi-molgewicht is dus 32·12+48·1+32 = 464[g/mol]
A. 14.5 [g/mol]
B. 29 [g/mol]
C. 464 [g/mol]
D. 476 [g/mol]
9. (3 punten) In het fornuis wordt dagelijks 1000 ton zware stookolie verbrand. Dit leidt bij benadering tot een CO2uitstoot van:
Uitwerking: 1000 · 44
13, 5 [ton] CO2
A. 2750 [ton]
B. 3260 [ton]
C. 3520 [ton]
D. 3670 [ton]
TB142-E Hertentamen(vervolg) 3 juli 2014 10. (3 punten) De LHV van zware stookolie is 44 [MJ/kg], die van biomassa droge stof 22 [MJ/kg]. De CO2-uitstoot per hoeveelheid warmte in [kg/MJ] bij volledige verbranding verhoudt zich voor deze twee brandstoffen dan ongeveer als (stookolie staat tot biomassa droge stof)
Uitwerking: Om de CO2-uitstoot per [MJ] te berekenen moet je weten (aannemen) hoeveel koolstof je moet inzetten via beide brandstoffen. Daarvoor gebruiken we de verhoudings- formule van stookolie CH1,5 en biomassa CH2O. Dan kunnen we als het ware corrigeren voor het (quasi-)molgewicht, respectievelijk 13,5 [g/mol] en 30 [g/mol]. Die hoeveelheid bevat dan 1 mol C en geeft 1 mol CO2. In 44 [MJ] stookolie zitten (1000/13,5) molen C, in 44 MJ biomassa droge stof (2*1000/30) molen (je heb 2 kg nodig). Het goede antwoord is dus 1000/13,5 staat tot 2*1000/30
A. 74 staat tot 67 [1000/13,5 staat tot 2*1000/30]
B. 80 staat tot 67 [1000/12,5 staat tot 2*1000/30]
C. 80 staat tot 33 [1000/12,5 staat tot 1000/30]
D. 74 staat tot 33 [1000/13,5 staat tot 1000/30]
11. (3 punten) Naar verwachting kan in een thermische centrale op basis van een kolenver- gasser waar Australische steenkool gebruikt wordt, in de nabije toekomst een rendement van 50% bereikt worden. Stel dat het vermogen van zo’n centrale 1500 [MWe] bedraagt.
Hoeveel steenkool met LHV=25 [MJ/kg] is dan dagelijks nodig als de centrale op vollast draait?
Uitwerking: Het thermische vermogen is 3000 [MW]. Dat vertaalt zich in 3000/25 [kg/s]
steenkool = 120 [kg/s] = 120[kg/s] · 24uur/dag · 3600s/uur = 10,9 * 106[kg/dag]
A. ruim 2,5 miljoen kilogram B. ruim 5 miljoen kilogram C. ruim 10 miljoen kilogram D. ruim 20 miljoen kilogram
12. (4 punten) Als zo’n moderne centrale met kolenvergasser aan zee wordt gebouwd ge- bruikt ze 60 ton koelwater per seconde, dat dan 4oC wordt opgewarmd. De Cp van zee- water is 5,0 [kJ/kg/K]. Hoe groot is het overig warmteverlies van deze centrale?
Uitwerking: Het thermische vermogen is 3000 [MW], de outputs zijn elektriciteit, 1500 [MW], Qrest in koelwater en het gevraagde warmteverlies. De weggekoelde restwarmte Qrestis Qrest= φm· Cp· ∆T . Uit de gegevens blijkt dat Cp· ∆T = 15 [kJ/kg]. Daaruit volgt dat
Qrest = 60 · 103[kg/s] · 5 · 103[J/kg/K] · 4[K] = 1200 · 106 [J/s], oftewel 1200 [MW]. Dat betekent dat het overig warmteverlies 3000 − 1500 − 1200 = 300 [MW] bedraagt
A. niet te berekenen. Onvoldoende gegevens.
B. 250 MW C. 300 MW D. 350 MW
13. (2 punten) Voor de centrale met kolenvergasser geldt dat het beschreven rendement van 50 % berekend is op basis van...
A. ... de 1eHoofdwet B. ... de 2eHoofdwet
pag. 3 van 10
C. ... de 3eHoofdwet D. ... het Carnotrendement
14. (2 punten) We weten dat de centrale met kolenvergasser bij vollast 1500 [MWe] levert. Als we twee overigens identieke centrales met elkaar vergelijken die respectievelijk op de eve- naar en de poolcirkel staan, dan kunnen we:
A. er zeker van zijn dat er geen verschil is in rendement
B. verwachten dat de centrale op de evenaar een iets hoger rendement heeft C. verwachten dat de centrale op de poolcirkel een iets hoger rendement heeft D. geen uitspraak doen over eventuele verschillen in rendement
TB142-E Hertentamen(vervolg) 3 juli 2014 15. (2 punten) In een thermische centrale treden altijd de volgende energietransformaties op:
A. Chemische energie → warmte; warmte Thoog→ (Arbeid + warmte Tlaag) B. Warmte Thoog→ Warmte Tlaag; warmte Thoog→ (Arbeid + warmte Tlaag) C. Arbeid → warmte; warmte Tlaag→ warmte Thoog
D. Arbeid → Elektrische energie; warmte Tlaag+ Arbeid → + warmte Thoog) 16. (3 punten) Het gew.% - zwavel in zwavelzuur, H2SO4is
Uitwerking: Dit is te berekenen met als het molgewicht van het aandeel zwavel, 32 [/g/mol]
gedeeld door het totale molgewicht, 2+32+64 = 98 [g/mol]. Dat is 100·32
98 = 32, 6gew.%.
A. 32,6 B. 33,3 C. 60,0 D. 65,2
17. (2 punten) Tuinders in het Westland gebruiken de laatste jaren warmtekrachtcentrales (WKC) voor productie van de warmte voor hun kassen, leveren elektriciteit aan het net en gebrui- ken een deel van de CO2in hun kas. Beschouw de volgende uitspraak: ”Dit gebruik van WKC’s draagt in principe bij aan vermindering van de CO2-uitstoot van Nederland”.
A. Klopt, omdat een Aardgas-WKC doorgaans een hoger elektrisch rendement heeft dan een stand-alone centrale.
B. Klopt; produceren van dezelfde hoeveelheid elektriciteit en warmte in aparte, moderne installaties leidt tot meer CO2.
C. Klopt niet. Het elektrisch rendement van zo’n Aardgas-WKC is laag, er er zijn flinke warmteverliezen.
D. Klopt niet. Immers, het Carnotrendement van een Aardgas-WKC is per definitie laag door de hoge afgassentemperatuur van de gasmotor of gas turbine.
18. (3 punten) De volgende uitspraak is juist:
A. volledige verbranding van 1 mol butaan, C4H8vraagt om 4 mol zuurstof B. volledige verbranding van 1 mol butaan, C4H8 vraagt om 6 mol zuurstof C. volledige verbranding van 1 mol butaan, C4H8vraagt om 8 mol zuurstof D. volledige verbranding van 1 mol butaan, C4H8vraagt om 10 mol zuurstof
– Vervolg - zie volgende pagina!!! –
pag. 5 van 10
De volgende vier vragen (19-22) hebben betrekking op onderstaande casus
Cholinechloride(zie figuur 1) is een vitamine B4-preparaat gebruikt in veevoeders. Het wordt geproduceerd uit trimethylamine (CH3)3N, dat met behulp van zoutzuur (HCl) en ethyleenoxide ((CH2)2)Oreageert tot cholinechloride. Een typische productiecapaciteit is 15.000 ton cholinechloride per jaar.
Trimethylamine wordt onder hoge druk en bij lage temperatuur gemaakt uit ammoniak en methanol.
De (vereenvoudigde) overall reactie in de trimethylamine fabriek is (1) N H3+ 3CH3OH → (CH3)3N + 3H2O
De reactie in de choline fabriek is
(2) (CH3)3N + (CH2)2)O + HCl →Cholinechloride (Choline + Cl−)
Helaas vindt ook verlies van etheenoxide plaats, waardoor gechloreerde koolwaterstoffen ontstaan, bijvoorbeeld.
(3) (CH2)2)O + HCl → CH2ClCH2OH
Dit soort bijproducten moet in speciale ovens worden verbrand. Naar schatting komt min- stens 90 gew.% van alle gebruikte etheenoxide terecht in het cholinechloride.
Figuur 1: Structuur van Choline
Lees de bovenstaande informatie ´en beantwoord dan de onderstaande vragen 19-22.
19. (4 punten) Een cholinechloride fabriek staat meestal op hetzelfde terrein als een trime- thylaminefabriek. De laatste produceert echter gewoonlijk meer trimethylamine dan ge- bruikt voor cholinechloride. Voor zo’n complex kunnen we een massabalans opstellen.
Onder verwaarlozing van opslag in het bedrijf, en alle stromen uitgedrukt in tonnen per jaar luidt deze:
A. Ammoniak + Methanol + Zoutzuur + Etheenoxide = Trimethylamine + Choli- nechloride + Gechloreerde koolwaterstoffen
B. 1 Ammoniak + 3 methanol + 1 Zoutzuur + 1 Etheenoxide = 1 Trimethylamine + 1 Cholinechloride + Gechloreerde koolwaterstoffen
C. 1 Ammoniak + 3 methanol + 1 Zoutzuur + 1 Etheenoxide = 1 Trimethylamine + 1 Cholinechloride + 3 Water + Gechloreerde koolwaterstoffen
D. Ammoniak + Methanol + Zoutzuur + Etheenoxide = Trimethylamine + Choli- nechloride + Water + Gechloreerde koolwaterstoffen
TB142-E Hertentamen(vervolg) 3 juli 2014 20. (4 punten) Stel de capaciteit van een trimethylamine fabriek is 60.000 ton product per jaar.
Hoeveel methanol wordt er jaarlijks minstens aangevoerd? Die hoeveelheid is naar schat- ting:
Uitwerking: Het molgewicht van trimethylamine is 59 [g/mol]; dat van methanol 32 [g/mol];
per mol trimethylamine zijn er 3 methanol nodig. Bij 100% conversie is er dus 96/59*60.000
= 97.627 [ton] methanol nodig A. 28.000 [ton/jaar]
B. 32.500 [ton/jaar]
C. 97.500 [ton/jaar]
D. 128.000 [ton/jaar]
21. (4 punten) Een trimethylamine - en een cholinechloride fabriek zijn ge¨ıntegreerd op ´e´en bedrijfsterrein. Als er in een jaar 15.000 ton cholinechloride wordt afgeleverd en 50.000 ton trimethylamine, terwijl er 5000 ton etheenoxide wordt gebruikt, 3000 ton zoutzuur, en 2000 ton gechloreerde koolwaterstoffen wordt verbrand, wat is dan de productie van tri- methylamine geweest? Het bedrijf heeft geen vergunning om hoeveelheden chemicalien 1 vrachtwagenlading (10-30 ton) op te slaan.
Uitwerking: de massabalans voor de cholinefabriek levert de hoeveelheid ingezette trime- thylamine. Deze is gelijk aan produkten - grondstoffen = 15.000 ton cholinechloride + 2000 ton gechloreerde kws - 5000 ton etheenoxide - 3000 ton zoutzuur. Dat is dus 9000 ton.
50.000 afgeleverde trimethylamine erbij geeft 59.000 ton A. 41.000 ton
B. 42.000 ton C. 58.000 ton D. 59.000 ton
22. (4 punten) Etheenoxide is zeer reactief en onder bepaalde omstandigheden explosief. Daarom wordt in een rampenplan altijd rekening gehouden met een calamiteit met een etheenoxide vrachtauto. Deze vervoeren elk 20 ton etheenoxide. Hoeveel vrachtauto’s arriveren er jaar- lijks bij de cholinefabriek?
Uitwerking:
Bereken hoeveel etheenoxide nodig is. Er is 1 mol etheenoxide nodig per mol Cholinechlo- ride. Er wordt 15.000 ton Cholinechloride geproduceerd, en 90% van de etheenoxide komt erin terecht. Er is dus jaarlijks nodig
(15.000 / 0,90) * (het molgewicht van Etheenoxide (44) / molgewicht CholineChloride (139,5) / 20 (ton per vrachtauto) = aantal vrachtautos; Dat is zijn 263 vrachtautos.
A. 237 [vrachtautos]
B. 263 [vrachtautos]
C. 317 [vrachtautos]
D. 352 [vrachtautos]
– Einde van de vragen –
pag. 7 van 10
– Deze pagina is bewust blanco –
TB142-E Hertentamen(vervolg) 3 juli 2014
Formuleblad
• Energie [J]:
Ekin= 12m · v2 Q = Cp· m · ∆T Wmax= Qh·(Th− Tc)
Th
Qc= Qh− Wmax = Qh· Tc
Th E = 2, 31 · 10−19·Q1.Q2
r
• Avogadro [moleculen/mol]:
NAvogadro= 6, 022 ∗ 1023
• Straling:
S = k · T4[W/m2])
k = 5, 67 · 10−8[W/m2/K−4] λpiek = c
Tpiek ν = c/λ[s−1J]
c = 3, 000 · 108[m/s]
E = h · ν[J]
h = 6, 62608 · 10−34[J · s]
• Heisenberg:
∆x · ∆(m · v) ≥ h 4π
• Ideaal gas:
P · V = n · R · T
R = 8, 31451[J/(K · mol)]
1[atm] = 101, 235[J]
pag. 9 van 10
118 1A8A 12 H21314151617He 1.0082A3A4A5A6A7A4.003 345678910 LiBeBCNOFNe 6.9419.01210.8112.0114.0116.0019.0020.18 1112131415161718 NaMgAlSiPSClAr 22.9924.31345678910111226.9828.0930.9732.0735.4539.95 192021222324252627282930313233343536 KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr 39.1040.0844.9647.8850.9452.0054.9455.8558.9358.6963.5565.3869.7272.5974.9278.9679.9083.80 373839404142434445464748495051525354 RbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdIn Sn Sb Te I Xe 85.4787.6288.9191.2292.9195.94(98)101.1102.9106.4107.9112.4114.8118.7121.8127.6126.9131.3 555657727374757677787980818283848586 CsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTl Pb Bi PoAtRn 132.9137.3138.9178.5180.9183.9186.2190.2192.2195.1197200.6204.4207.2209(209)(210)(222) 878889104105106107108109110111112 FrRaAcUnqUnpUnhUnsUnoUneUunUuuUub (223)226(227) 5859606162636465666768697071 CePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu 140.1140.9144.2(145)150.4152.0157.3158.9162.5164.9167.3168.9173.0175.0 90919293949596979899100101102103 ThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr 232.0(231)238.0(237)(244)(243)(247)(247)(251)(252)(257)(258)(259)(260)
Figuur 2: Periodiek systeem der Elementen
