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 25% komponento (NaOH)? Raskite ṁ2.
ṁ1 = 300 kg/hx1 = 30 %x2 = 20 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Masės balansasSunkus
Garintuvas koncentruoja tirpalą (cukrus) išgarindamas gryną vandenį. Raskite produkto srautą P vienetais kg/h.
F = 1000 kg/hxF = 5 %xP = 50 %
P = kg/h
3.Energijos balansasVidutinis
Karštas skystis (etanolis) aušina vandenį priešpriešinio srauto šilumokaityje be šilumos nuostolių. Raskite vandens išėjimo temperatūrą tout.
ṁh = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 110 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Energijos balansasSunkus
Karštas skystis (etanolis) šildo vandenį šilumokaityje, kuris į aplinką praranda 5% karštojo srauto atiduotos šilumos. Raskite reikiamą vandens debitą ṁc.
ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 70 °Ct: 10 → 50 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)nuostoliai = 5 %
ṁc = kg/s
5.Idealiųjų dujų dėsnisVidutinis
Kokį tūrį V užima 50 g dujų (Ar), kai 400 kPa ir 50 °C? Laikykite jas idealiosiomis.
m = 50 gM = 39,95 g/molP = 400 kPaT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Idealiųjų dujų dėsnisSunkus
Pastovus dujų (He) kiekis pereina iš 350 kPa, 2 L, 15 °C į 500 kPa ir 150 °C. Raskite naują tūrį V2.
P1 = 350 kPaV1 = 2 LT1 = 15 °CP2 = 500 kPaT2 = 150 °C
V2 = L
7.StechiometrijaVidutinis
16 g Fe2O3 ir 48 g CO reaguoja pagal Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. Kokia CO2 masė m gali susidaryti?
M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.StechiometrijaSunkus
Reakcijoje 2Mg + O2 → 2MgO 20 g Mg sureaguoja visiškai (kitų reagentų perteklius) ir surenkama 29,18 g MgO. Raskite išeigą procentais Y.
M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molfaktinė: 29,18 g
Y = %
3Tirpalai
1.Masės balansas
Atsakymas: ṁ2 = 300 kg/h
Nusistovėjusio režimo masės balansas: įeina = išeina – bendrai ir kiekvienam komponentui. Maišymo uždaviniai sujungia abu.
Balansai
Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
Išreiškite ṁ2
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 300·(30 − 25)/(25 − 20) = 300 kg/h
Atsakymas
ṁ2 = 300 kg/h
2.Masės balansas
Atsakymas: P = 100 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 = 1000·5/50 = 100 kg/h
Atsakymas
P = 100 kg/h
3.Energijos balansas
Atsakymas: tout = 31,67 °C
Šilumokaičio energijos balansas: be nuostolių ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Karštojo srauto atiduota šiluma
Q = 1·2,44·(170 − 110) = 146,4 kW
Vandens gauta šiluma
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 146,4/(3·4,18) = 31,67 °C
Atsakymas
tout = 31,67 °C
4.Energijos balansas
Atsakymas: ṁc = 0,4159 kg/s
Energijos balansas su nuostoliais: atiduota šiluma = gauta šiluma + prarasta šiluma.
Atiduota šiluma
Qh = 0,5·2,44·(130 − 70) = 73,2 kW
Vandenį pasiekianti šiluma
Qc = (1 − 0,05)·73,2 = 69,54 kW
Vandens debitas
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 69,54/(4,18·40) = 0,4159 kg/s
Atsakymas
ṁc = 0,4159 kg/s
5.Idealiųjų dujų dėsnis
Atsakymas: V = 8,406 L
Idealiųjų dujų dėsnis: PV = nRT, kur n = m/M.
Moliai
n = 50/39,95 = 1,252 mol
T = 50 + 273,15 = 323,1 K
Tūris
V = nRT/P = 1,252·8,314·323,1/400 = 8,406 L
Atsakymas
V = 8,406 L
6.Idealiųjų dujų dėsnis
Atsakymas: V2 = 2,056 L
Jungtinis dujų dėsnis: pastoviam idealiųjų dujų kiekiui P1V1/T1 = P2V2/T2.
Absoliučiosios temperatūros
T1 = 288,1 K, T2 = 423,1 K
Jungtinis dujų dėsnis
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(350/500)·(423,1/288,1) = 2,056 L
Atsakymas
V2 = 2,056 L
7.Stechiometrija
Atsakymas: m = 13,23 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(Fe2O3) = 16/159,69 = 0,1002 mol
n(CO) = 48/28,01 = 1,714 mol
Ribojantysis reagentas
0,1002/1 = 0,1002, 1,714/3 = 0,5712 → Fe2O3
Produkto masė
n(CO2) = 0,1002·3 = 0,3006 mol
m = 0,3006·44,01 = 13,23 g
Atsakymas
m = 13,23 g
8.Stechiometrija
Atsakymas: Y = 88,01 %
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(Mg) = 20/24,31 = 0,8227 mol
m = 0,8227·2/2·40,3 = 33,16 g
Išeiga procentais
Y = 29,18/33,16·100 = 88,01%
Atsakymas
Y = 88,01%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances