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 (cukrus)? Raskite ṁ2.
ṁ1 = 450 kg/hx1 = 40 %x2 = 10 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Masės balansasSunkus
Garintuvas koncentruoja tirpalą (druska) išgarindamas gryną vandenį. Raskite produkto srautą P vienetais kg/h.
F = 1900 kg/hxF = 11 %xP = 30 %
P = kg/h
3.Energijos balansasVidutinis
Karštas skystis (glikolio mišinys) aušina vandenį priešpriešinio srauto šilumokaityje be šilumos nuostolių. Raskite vandens išėjimo temperatūrą tout.
ṁh = 0,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 120 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °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 = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 70 °Ct: 20 → 70 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)nuostoliai = 5 %
ṁc = kg/s
5.Idealiųjų dujų dėsnisVidutinis
Kokį tūrį V užima 30 g dujų (He), kai 600 kPa ir 25 °C? Laikykite jas idealiosiomis.
m = 30 gM = 4,003 g/molP = 600 kPaT = 25 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Idealiųjų dujų dėsnisSunkus
Pastovus dujų (Ar) kiekis pereina iš 300 kPa, 20 L, 15 °C į 200 kPa ir 110 °C. Raskite naują tūrį V2.
P1 = 300 kPaV1 = 20 LT1 = 15 °CP2 = 200 kPaT2 = 110 °C
V2 = L
7.StechiometrijaVidutinis
16 g N2 ir 10 g H2 reaguoja pagal N2 + 3H2 → 2NH3. Kokia NH3 masė m gali susidaryti?
M(N2) = 28,02M(H2) = 2,016M(NH3) = 17,03 g/mol
m = g
8.StechiometrijaSunkus
Reakcijoje N2 + 3H2 → 2NH3 30 g N2 sureaguoja visiškai (kitų reagentų perteklius) ir surenkama 29,9 g NH3. Raskite išeigą procentais Y.
M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molfaktinė: 29,9 g
Y = %
3Tirpalai
1.Masės balansas
Atsakymas: ṁ2 = 2250 kg/h
Nusistovėjusio režimo masės balansas: įeina = išeina – bendrai ir kiekvienam komponentui. Maišymo uždaviniai sujungia abu.
Balansai
Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
cukrus: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
Išreiškite ṁ2
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 450·(40 − 15)/(15 − 10) = 2250 kg/h
Atsakymas
ṁ2 = 2250 kg/h
2.Masės balansas
Atsakymas: P = 696,7 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 = 1900·11/30 = 696,7 kg/h
Atsakymas
P = 696,7 kg/h
3.Energijos balansas
Atsakymas: tout = 50,84 °C
Šilumokaičio energijos balansas: be nuostolių ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Karštojo srauto atiduota šiluma
Q = 0,5·3,6·(150 − 120) = 54 kW
Vandens gauta šiluma
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 54/(0,5·4,18) = 50,84 °C
Atsakymas
tout = 50,84 °C
4.Energijos balansas
Atsakymas: ṁc = 1,664 kg/s
Energijos balansas su nuostoliais: atiduota šiluma = gauta šiluma + prarasta šiluma.
Atiduota šiluma
Qh = 2,5·2,44·(130 − 70) = 366 kW
Vandenį pasiekianti šiluma
Qc = (1 − 0,05)·366 = 347,7 kW
Vandens debitas
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 347,7/(4,18·50) = 1,664 kg/s
Atsakymas
ṁc = 1,664 kg/s
5.Idealiųjų dujų dėsnis
Atsakymas: V = 30,96 L
Idealiųjų dujų dėsnis: PV = nRT, kur n = m/M.
Moliai
n = 30/4,003 = 7,494 mol
T = 25 + 273,15 = 298,1 K
Tūris
V = nRT/P = 7,494·8,314·298,1/600 = 30,96 L
Atsakymas
V = 30,96 L
6.Idealiųjų dujų dėsnis
Atsakymas: V2 = 39,89 L
Jungtinis dujų dėsnis: pastoviam idealiųjų dujų kiekiui P1V1/T1 = P2V2/T2.
Absoliučiosios temperatūros
T1 = 288,1 K, T2 = 383,1 K
Jungtinis dujų dėsnis
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(300/200)·(383,1/288,1) = 39,89 L
Atsakymas
V2 = 39,89 L
7.Stechiometrija
Atsakymas: m = 19,45 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(N2) = 16/28,02 = 0,571 mol
n(H2) = 10/2,016 = 4,96 mol
Ribojantysis reagentas
0,571/1 = 0,571, 4,96/3 = 1,653 → N2
Produkto masė
n(NH3) = 0,571·2 = 1,142 mol
m = 1,142·17,03 = 19,45 g
Atsakymas
m = 19,45 g
8.Stechiometrija
Atsakymas: Y = 81,99 %
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(N2) = 30/28,02 = 1,071 mol
m = 1,071·2/1·17,03 = 36,47 g
Išeiga procentais
Y = 29,9/36,47·100 = 81,99%
Atsakymas
Y = 81,99%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances