Masės balansas
- Nusistovėjęs režimas
- įeina = išeina
- Bendras balansas
- ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
- Komponento balansas
- ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
- Garintuvas
- F·xF = P·xP, W = F − P
Medžiagų ir energijos balansai: pasiruošimo paketas
Formulių lapai, pagrindiniai kiekvienos temos metodų žingsniai ir 8 uždavinių, o pilni sprendimai pateikti gale.
1Formulės ir metodai
Energijos balansas
- Juntamoji šiluma
- Q = ṁ·cp·ΔT
- Slaptoji šiluma
- Q = ṁ·hfg
- Maišymas
- ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
- Vanduo
- cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)
Idealiųjų dujų dėsnis
- Idealiųjų dujų dėsnis
- pV = nRT
- Dujų konstanta
- R = 8,314 J/(mol·K)
- Jungtinis dujų dėsnis
- p1V1/T1 = p2V2/T2
- Moliai
- n = m/M
- Temperatūra
- T[K] = T[°C] + 273,15
Stechiometrija
- Moliai
- n = m/M
- Koncentracija
- c = n/V
- Molių santykis
- naudokite išlygintos reakcijos lygties koeficientus
- Ribojantysis reagentas
- tas, kuris baigiasi pirmas
- Išeiga procentais
- faktinė / teorinė × 100%
Metodas
- Užrašykite ir išlyginkite cheminę lygtį.
- Duotą masę paverskite moliais: n = m/M.
- Koeficientus naudokite kaip molių santykį ir raskite reikiamos medžiagos molių skaičių.
- Atgal į masę perskaičiuokite pagal m = n·M. Kai yra du reagentai, pirmiausia raskite ribojantįjį reagentą.
2Uždaviniai
1.Masės balansasVidutinis
Kiek 2 srauto reikia kas valandą pridėti prie 1 srauto, kad mišinyje būtų 15% komponento (druska)? Raskite ṁ2.
ṁ1 = 300 kg/hx1 = 45 %x2 = 10 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Masės balansasSunkus
Garintuvas koncentruoja tirpalą (cukrus) išgarindamas gryną vandenį. Raskite produkto srautą P vienetais kg/h.
F = 2900 kg/hxF = 8 %xP = 40 %
P = kg/h
3.Energijos balansasVidutinis
Karštas skystis (lengvoji alyva) aušina vandenį priešpriešinio srauto šilumokaityje be šilumos nuostolių. Raskite vandens išėjimo temperatūrą tout.
ṁh = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 100 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Energijos balansasSunkus
Karštas skystis (glikolio mišinys) šildo vandenį šilumokaityje, kuris į aplinką praranda 10% karštojo srauto atiduotos šilumos. Raskite reikiamą vandens debitą ṁc.
ṁh = 0,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 150 °Ct: 20 → 55 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)nuostoliai = 10 %
ṁc = kg/s
5.Idealiųjų dujų dėsnisVidutinis
Kokį tūrį V užima 50 g dujų (O₂), kai 300 kPa ir 5 °C? Laikykite jas idealiosiomis.
m = 50 gM = 32 g/molP = 300 kPaT = 5 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Idealiųjų dujų dėsnisSunkus
Raskite dujų (CO₂) tankį ρ, kai 750 kPa ir 0 °C, laikydami jas idealiosiomis.
M = 44,01 g/molP = 750 kPaT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometrijaVidutinis
6 g Na ir 40 g Cl2 reaguoja pagal 2Na + Cl2 → 2NaCl. Kokia NaCl masė m gali susidaryti?
M(Na) = 22,99M(Cl2) = 70,9M(NaCl) = 58,44 g/mol
m = g
8.StechiometrijaSunkus
Reakcijoje C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 6 g C6H12O6 sureaguoja visiškai (kitų reagentų perteklius) ir surenkama 2,67 g CO2. Raskite išeigą procentais Y.
M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(CO2) = 44,01 g/molfaktinė: 2,67 g
Y = %
3Tirpalai
1.Masės balansas
Atsakymas: ṁ2 = 1800 kg/h
Nusistovėjusio režimo masės balansas: įeina = išeina – bendrai ir kiekvienam komponentui. Maišymo uždaviniai sujungia abu.
Balansai
Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
druska: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
Išreiškite ṁ2
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 300·(45 − 15)/(15 − 10) = 1800 kg/h
Atsakymas
ṁ2 = 1800 kg/h
2.Masės balansas
Atsakymas: P = 580 kg/h
Raktinis komponentas: komponentas, kuris nepakitęs eina tik viename sraute (čia ištirpusi medžiaga), tiesiogiai susieja srautus. Likusius dydžius duoda bendras balansas.
Ištirpusios medžiagos balansas
F·xF = P·xP → P = 2900·8/40 = 580 kg/h
Atsakymas
P = 580 kg/h
3.Energijos balansas
Atsakymas: tout = 100,4 °C
Šilumokaičio energijos balansas: be nuostolių ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Karštojo srauto atiduota šiluma
Q = 1·2,1·(180 − 100) = 168 kW
Vandens gauta šiluma
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 168/(0,5·4,18) = 100,4 °C
Atsakymas
tout = 100,4 °C
4.Energijos balansas
Atsakymas: ṁc = 0,3322 kg/s
Energijos balansas su nuostoliais: atiduota šiluma = gauta šiluma + prarasta šiluma.
Atiduota šiluma
Qh = 0,5·3,6·(180 − 150) = 54 kW
Vandenį pasiekianti šiluma
Qc = (1 − 0,1)·54 = 48,6 kW
Vandens debitas
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 48,6/(4,18·35) = 0,3322 kg/s
Atsakymas
ṁc = 0,3322 kg/s
5.Idealiųjų dujų dėsnis
Atsakymas: V = 12,04 L
Idealiųjų dujų dėsnis: PV = nRT, kur n = m/M.
Moliai
n = 50/32 = 1,563 mol
T = 5 + 273,15 = 278,1 K
Tūris
V = nRT/P = 1,563·8,314·278,1/300 = 12,04 L
Atsakymas
V = 12,04 L
6.Idealiųjų dujų dėsnis
Atsakymas: ρ = 14,53 kg/m³
Idealiųjų dujų tankis: ρ = PM/(RT).
Pertvarkykite dujų dėsnį
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 0 + 273,15 = 273,1 K
Tankis
ρ = 750·44,01/(8,314·273,1) = 14,53 kg/m³
Atsakymas
ρ = 14,53 kg/m³
7.Stechiometrija
Atsakymas: m = 15,25 g
Stechiometrija: išlyginta lygtis skaičiuoja daleles, ne gramus. Masę paverskite moliais pagal n = m/M, lygties koeficientus naudokite kaip molių santykį, tada grįžkite prie masės pagal m = n·M. Kai yra du reagentai, ribojantysis reagentas yra tas, kuris sunaudojamas pirmas ir lemia susidarančio produkto kiekį.
Kiekvieno reagento moliai
n(Na) = 6/22,99 = 0,261 mol
n(Cl2) = 40/70,9 = 0,5642 mol
Ribojantysis reagentas
0,261/2 = 0,1305, 0,5642/1 = 0,5642 → Na
Produkto masė
n(NaCl) = 0,1305·2 = 0,261 mol
m = 0,261·58,44 = 15,25 g
Atsakymas
m = 15,25 g
8.Stechiometrija
Atsakymas: Y = 91,08 %
Stechiometrija: išlyginta lygtis skaičiuoja daleles, ne gramus. Masę paverskite moliais pagal n = m/M, lygties koeficientus naudokite kaip molių santykį, tada grįžkite prie masės pagal m = n·M. Kai yra du reagentai, ribojantysis reagentas yra tas, kuris sunaudojamas pirmas ir lemia susidarančio produkto kiekį.
Teorinė išeiga
n(C6H12O6) = 6/180,16 = 0,0333 mol
m = 0,0333·2/1·44,01 = 2,931 g
Išeiga procentais
Y = 2,67/2,931·100 = 91,08%
Atsakymas
Y = 91,08%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances