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 = 950 kg/hx1 = 30 %x2 = 20 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Masės balansasSunkus
Garintuvas koncentruoja tirpalą (NaOH) išgarindamas gryną vandenį. Raskite išgarinto vandens kiekį W vienetais kg/h.
F = 2600 kg/hxF = 16 %xP = 55 %
W = kg/h
3.Energijos balansasVidutinis
Karštas skystis (glikolio mišinys) aušina vandenį priešpriešinio srauto šilumokaityje be šilumos nuostolių. Raskite vandens išėjimo temperatūrą tout.
ṁh = 3 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 60 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Energijos balansasSunkus
Karštas skystis (lengvoji alyva) šildo vandenį šilumokaityje, kuris į aplinką praranda 15% karštojo srauto atiduotos šilumos. Raskite reikiamą vandens debitą ṁc.
ṁh = 3 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 110 °Ct: 30 → 85 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)nuostoliai = 15 %
ṁc = kg/s
5.Idealiųjų dujų dėsnisVidutinis
Kokį tūrį V užima 140 g dujų (He), kai 400 kPa ir 95 °C? Laikykite jas idealiosiomis.
m = 140 gM = 4,003 g/molP = 400 kPaT = 95 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Idealiųjų dujų dėsnisSunkus
Pastovus dujų (N₂) kiekis pereina iš 250 kPa, 20 L, 20 °C į 100 kPa ir 210 °C. Raskite naują tūrį V2.
P1 = 250 kPaV1 = 20 LT1 = 20 °CP2 = 100 kPaT2 = 210 °C
V2 = L
7.StechiometrijaVidutinis
24 g CH4 ir 10 g O2 reaguoja pagal CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Kokia H2O masė m gali susidaryti?
M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StechiometrijaSunkus
Reakcijoje Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 6 g Fe2O3 sureaguoja visiškai (kitų reagentų perteklius) ir surenkama 4,51 g CO2. Raskite išeigą procentais Y.
M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(CO2) = 44,01 g/molfaktinė: 4,51 g
Y = %
3Tirpalai
1.Masės balansas
Atsakymas: ṁ2 = 950 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) = 950·(30 − 25)/(25 − 20) = 950 kg/h
Atsakymas
ṁ2 = 950 kg/h
2.Masės balansas
Atsakymas: W = 1844 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 = 2600·16/55 = 756,4 kg/h
Bendras balansas
W = F − P = 2600 − 756,4 = 1844 kg/h
Atsakymas
W = 1844 kg/h
3.Energijos balansas
Atsakymas: tout = 102,5 °C
Šilumokaičio energijos balansas: be nuostolių ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Karštojo srauto atiduota šiluma
Q = 3·3,6·(150 − 60) = 972 kW
Vandens gauta šiluma
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 972/(3·4,18) = 102,5 °C
Atsakymas
tout = 102,5 °C
4.Energijos balansas
Atsakymas: ṁc = 0,9317 kg/s
Energijos balansas su nuostoliais: atiduota šiluma = gauta šiluma + prarasta šiluma.
Atiduota šiluma
Qh = 3·2,1·(150 − 110) = 252 kW
Vandenį pasiekianti šiluma
Qc = (1 − 0,15)·252 = 214,2 kW
Vandens debitas
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 214,2/(4,18·55) = 0,9317 kg/s
Atsakymas
ṁc = 0,9317 kg/s
5.Idealiųjų dujų dėsnis
Atsakymas: V = 267,6 L
Idealiųjų dujų dėsnis: PV = nRT, kur n = m/M.
Moliai
n = 140/4,003 = 34,97 mol
T = 95 + 273,15 = 368,1 K
Tūris
V = nRT/P = 34,97·8,314·368,1/400 = 267,6 L
Atsakymas
V = 267,6 L
6.Idealiųjų dujų dėsnis
Atsakymas: V2 = 82,41 L
Jungtinis dujų dėsnis: pastoviam idealiųjų dujų kiekiui P1V1/T1 = P2V2/T2.
Absoliučiosios temperatūros
T1 = 293,1 K, T2 = 483,1 K
Jungtinis dujų dėsnis
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(250/100)·(483,1/293,1) = 82,41 L
Atsakymas
V2 = 82,41 L
7.Stechiometrija
Atsakymas: m = 5,631 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(CH4) = 24/16,04 = 1,496 mol
n(O2) = 10/32 = 0,3125 mol
Ribojantysis reagentas
1,496/1 = 1,496, 0,3125/2 = 0,1563 → O2
Produkto masė
n(H2O) = 0,1563·2 = 0,3125 mol
m = 0,3125·18,02 = 5,631 g
Atsakymas
m = 5,631 g
8.Stechiometrija
Atsakymas: Y = 90,91 %
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(Fe2O3) = 6/159,69 = 0,03757 mol
m = 0,03757·3/1·44,01 = 4,961 g
Išeiga procentais
Y = 4,51/4,961·100 = 90,91%
Atsakymas
Y = 90,91%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances