물질 수지
- 정상 상태
- 유입 = 유출
- 전체 수지
- ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
- 성분 수지
- ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
- 증발기
- F·xF = P·xP, W = F − P
화공양론: 벼락치기 팩
공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 8개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.
1공식과 풀이 방법
에너지 수지
- 현열
- Q = ṁ·cp·ΔT
- 잠열
- Q = ṁ·hfg
- 혼합
- ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
- 물
- cp ≈ 4.18 kJ/(kg·K)
이상 기체 법칙
- 이상 기체 법칙
- pV = nRT
- 기체 상수
- R = 8.314 J/(mol·K)
- 보일-샤를 법칙
- p1V1/T1 = p2V2/T2
- 몰수
- n = m/M
- 온도
- T[K] = T[°C] + 273.15
화학량론
- 몰수
- n = m/M
- 농도
- c = n/V
- 몰비
- 균형 맞춘 반응식의 계수를 사용
- 한계 반응물
- 가장 먼저 소진되는 물질
- 수득률
- 실제 수득량 / 이론 수득량 × 100%
방법
- 화학 반응식을 쓰고 계수를 맞추세요.
- 주어진 질량을 몰로 바꾸세요: n = m/M.
- 계수를 몰비로 이용해 원하는 물질의 몰수를 구하세요.
- m = n·M으로 다시 질량으로 바꾸세요. 반응물이 둘이면 먼저 한계 반응물을 찾으세요.
2연습 문제
1.물질 수지보통
혼합 제품이 소금을(를) 30% 포함하려면 흐름 1에 매시간 흐름 2를 얼마나 더해야 하는가? ṁ2을(를) 구하시오.
ṁ1 = 850 kg/hx1 = 45 %x2 = 20 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.물질 수지어려움
증발기가 순수를 증발시켜 설탕 용액을 농축한다. 제품 유량 P을(를) kg/h 단위로 구하시오.
F = 1500 kg/hxF = 5 %xP = 55 %
P = kg/h
3.에너지 수지보통
뜨거운 에탄올이(가) 열손실 없는 대향류 열교환기에서 물을 냉각한다. 물의 출구 온도 tout을(를) 구하시오.
ṁh = 3 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 90 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.에너지 수지어려움
뜨거운 에탄올이(가) 열교환기에서 물을 가열하는데, 이 열교환기는 고온 흐름이 내놓은 열의 10%를 주위로 잃는다. 필요한 물의 유량 ṁc을(를) 구하시오.
ṁh = 2.5 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 70 °Ct: 25 → 45 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)손실 = 10 %
ṁc = kg/s
5.이상 기체 법칙보통
부피 20 L인 탱크에 75 °C의 CH₄ 10 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.
m = 10 gM = 16.04 g/molV = 20 LT = 75 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
6.이상 기체 법칙어려움
100 kPa, 140 °C에서 N₂의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.
M = 28.01 g/molP = 100 kPaT = 140 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.화학량론보통
CH4 20 g과 O2 8 g이 CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O에 따라 반응합니다. 생길 수 있는 H2O의 질량 m는 얼마일까요?
M(CH4) = 16.04M(O2) = 32M(H2O) = 18.02 g/mol
m = g
8.화학량론어려움
반응 CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O에서 CH4 8 g이 완전히 반응하고(다른 반응물은 충분) CO2 19.32 g을 얻었습니다. 수득률 Y를 구하세요.
M(CH4) = 16.04 g/molM(CO2) = 44.01 g/mol실제: 19.32 g
Y = %
3용액
1.물질 수지
답: ṁ2 = 1275 kg/h
정상 상태 물질 수지: 전체와 각 성분에서 입력 = 출력. 혼합 문제는 둘을 함께 씁니다.
수지
Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
소금: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
ṁ2에 대해 풀기
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 850·(45 − 30)/(30 − 20) = 1275 kg/h
답
ṁ2 = 1275 kg/h
2.물질 수지
답: P = 136.4 kg/h
연결 성분: 한 흐름에서만 변하지 않고 지나가는 성분(여기서는 용질)은 유량들을 직접 연결합니다. 나머지는 전체 수지로 구합니다.
용질 수지
F·xF = P·xP → P = 1500·5/55 = 136.4 kg/h
답
P = 136.4 kg/h
3.에너지 수지
답: tout = 60.86 °C
열교환기 에너지 수지: 손실이 없으면 ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
고온 흐름이 내놓은 열
Q = 3·2.44·(160 − 90) = 512.4 kW
물이 받은 열
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 512.4/(3·4.18) = 60.86 °C
답
tout = 60.86 °C
4.에너지 수지
답: ṁc = 6.567 kg/s
손실이 있는 에너지 수지: 방출 열 = 흡수 열 + 손실 열.
방출 열
Qh = 2.5·2.44·(170 − 70) = 610 kW
물에 전달되는 열
Qc = (1 − 0.1)·610 = 549 kW
물의 유량
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 549/(4.18·20) = 6.567 kg/s
답
ṁc = 6.567 kg/s
5.이상 기체 법칙
답: P = 90.23 kPa
이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.
몰수
n = m/M = 10/16.04 = 0.6234 mol
T = 75 + 273.15 = 348.1 K
압력
P = nRT/V = 0.6234·8.314·348.1/0.02 = 90.23 kPa
답
P = 90.23 kPa
6.이상 기체 법칙
답: ρ = 0.8154 kg/m³
이상 기체의 밀도: ρ = PM/(RT).
기체 법칙 정리
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 140 + 273.15 = 413.1 K
밀도
ρ = 100·28.01/(8.314·413.1) = 0.8154 kg/m³
답
ρ = 0.8154 kg/m³
7.화학량론
답: m = 4.505 g
화학량론: 균형 맞춘 반응식은 그램이 아니라 입자 수를 셉니다. n = m/M으로 질량을 몰로 바꾸고, 반응식의 계수를 몰비로 쓴 다음, m = n·M으로 다시 질량으로 바꿉니다. 반응물이 두 개일 때 한계 반응물은 먼저 다 소모되어 생성물의 양을 정하는 쪽입니다.
각 반응물의 몰수
n(CH4) = 20/16.04 = 1.247 mol
n(O2) = 8/32 = 0.25 mol
한계 반응물
1.247/1 = 1.247, 0.25/2 = 0.125 → O2
생성물의 질량
n(H2O) = 0.125·2 = 0.25 mol
m = 0.25·18.02 = 4.505 g
답
m = 4.505 g
8.화학량론
답: Y = 88.02 %
화학량론: 균형 맞춘 반응식은 그램이 아니라 입자 수를 셉니다. n = m/M으로 질량을 몰로 바꾸고, 반응식의 계수를 몰비로 쓴 다음, m = n·M으로 다시 질량으로 바꿉니다. 반응물이 두 개일 때 한계 반응물은 먼저 다 소모되어 생성물의 양을 정하는 쪽입니다.
이론적 수득량
n(CH4) = 8/16.04 = 0.4988 mol
m = 0.4988·1/1·44.01 = 21.95 g
수득률
Y = 19.32/21.95·100 = 88.02%
답
Y = 88.02%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances