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 10% komponento (druska)? Raskite ṁ2.
ṁ1 = 400 kg/hx1 = 5 %x2 = 35 %x3 = 10 %
ṁ2 = kg/h
2.Masės balansasSunkus
Garintuvas koncentruoja tirpalą (cukrus) išgarindamas gryną vandenį. Raskite produkto srautą P vienetais kg/h.
F = 1600 kg/hxF = 17 %xP = 60 %
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: 130 → 80 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Energijos balansasSunkus
Karštas skystis (etanolis) šildo vandenį šilumokaityje, kuris į aplinką praranda 10% karštojo srauto atiduotos šilumos. Raskite reikiamą vandens debitą ṁc.
ṁh = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 100 °Ct: 20 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)nuostoliai = 10 %
ṁc = kg/s
5.Idealiųjų dujų dėsnisVidutinis
Kokį tūrį V užima 190 g dujų (CO₂), kai 700 kPa ir 30 °C? Laikykite jas idealiosiomis.
m = 190 gM = 44,01 g/molP = 700 kPaT = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Idealiųjų dujų dėsnisSunkus
Pastovus dujų (O₂) kiekis pereina iš 300 kPa, 2 L, 30 °C į 750 kPa ir 70 °C. Raskite naują tūrį V2.
P1 = 300 kPaV1 = 2 LT1 = 30 °CP2 = 750 kPaT2 = 70 °C
V2 = L
7.StechiometrijaVidutinis
12 g C3H8 ir 10 g O2 reaguoja pagal C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. Kokia H2O masė m gali susidaryti?
M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StechiometrijaSunkus
Reakcijoje CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O 6 g CH4 sureaguoja visiškai (kitų reagentų perteklius) ir surenkama 11,86 g H2O. Raskite išeigą procentais Y.
M(CH4) = 16,04 g/molM(H2O) = 18,02 g/molfaktinė: 11,86 g
Y = %
3Tirpalai
1.Masės balansas
Atsakymas: ṁ2 = 80 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) = 400·(5 − 10)/(10 − 35) = 80 kg/h
Atsakymas
ṁ2 = 80 kg/h
2.Masės balansas
Atsakymas: P = 453,3 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 = 1600·17/60 = 453,3 kg/h
Atsakymas
P = 453,3 kg/h
3.Energijos balansas
Atsakymas: tout = 40,12 °C
Šilumokaičio energijos balansas: be nuostolių ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Karštojo srauto atiduota šiluma
Q = 1·2,1·(130 − 80) = 105 kW
Vandens gauta šiluma
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 105/(1·4,18) = 40,12 °C
Atsakymas
tout = 40,12 °C
4.Energijos balansas
Atsakymas: ṁc = 2,364 kg/s
Energijos balansas su nuostoliais: atiduota šiluma = gauta šiluma + prarasta šiluma.
Atiduota šiluma
Qh = 3·2,44·(160 − 100) = 439,2 kW
Vandenį pasiekianti šiluma
Qc = (1 − 0,1)·439,2 = 395,3 kW
Vandens debitas
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 395,3/(4,18·40) = 2,364 kg/s
Atsakymas
ṁc = 2,364 kg/s
5.Idealiųjų dujų dėsnis
Atsakymas: V = 15,54 L
Idealiųjų dujų dėsnis: PV = nRT, kur n = m/M.
Moliai
n = 190/44,01 = 4,317 mol
T = 30 + 273,15 = 303,1 K
Tūris
V = nRT/P = 4,317·8,314·303,1/700 = 15,54 L
Atsakymas
V = 15,54 L
6.Idealiųjų dujų dėsnis
Atsakymas: V2 = 0,9056 L
Jungtinis dujų dėsnis: pastoviam idealiųjų dujų kiekiui P1V1/T1 = P2V2/T2.
Absoliučiosios temperatūros
T1 = 303,1 K, T2 = 343,1 K
Jungtinis dujų dėsnis
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(300/750)·(343,1/303,1) = 0,9056 L
Atsakymas
V2 = 0,9056 L
7.Stechiometrija
Atsakymas: m = 4,505 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(C3H8) = 12/44,1 = 0,2721 mol
n(O2) = 10/32 = 0,3125 mol
Ribojantysis reagentas
0,2721/1 = 0,2721, 0,3125/5 = 0,0625 → O2
Produkto masė
n(H2O) = 0,0625·4 = 0,25 mol
m = 0,25·18,02 = 4,505 g
Atsakymas
m = 4,505 g
8.Stechiometrija
Atsakymas: Y = 87,97 %
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(CH4) = 6/16,04 = 0,3741 mol
m = 0,3741·2/1·18,02 = 13,48 g
Išeiga procentais
Y = 11,86/13,48·100 = 87,97%
Atsakymas
Y = 87,97%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances