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 40% komponento (cukrus)? Raskite ṁ2.
ṁ1 = 800 kg/hx1 = 10 %x2 = 45 %x3 = 40 %
ṁ2 = kg/h
2.Masės balansasSunkus
Garintuvas koncentruoja tirpalą (NaOH) išgarindamas gryną vandenį. Raskite produkto srautą P vienetais kg/h.
F = 3300 kg/hxF = 9 %xP = 55 %
P = kg/h
3.Energijos balansasVidutinis
Karštas skystis (lengvoji alyva) aušina vandenį priešpriešinio srauto šilumokaityje be šilumos nuostolių. Raskite vandens išėjimo temperatūrą tout.
ṁh = 2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 110 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °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 = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 60 °Ct: 25 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)nuostoliai = 5 %
ṁc = kg/s
5.Idealiųjų dujų dėsnisVidutinis
30 L talpos inde yra 410 g dujų (O₂), temperatūra 80 °C. Laikykite jas idealiosiomis ir raskite slėgį P.
m = 410 gM = 32 g/molV = 30 LT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Idealiųjų dujų dėsnisSunkus
Raskite dujų (CO₂) tankį ρ, kai 950 kPa ir 0 °C, laikydami jas idealiosiomis.
M = 44,01 g/molP = 950 kPaT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometrijaVidutinis
20 g C3H8 ir 24 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 C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 20 g C6H12O6 sureaguoja visiškai (kitų reagentų perteklius) ir surenkama 9 g C2H5OH. Raskite išeigą procentais Y.
M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(C2H5OH) = 46,07 g/molfaktinė: 9 g
Y = %
3Tirpalai
1.Masės balansas
Atsakymas: ṁ2 = 4800 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) = 800·(10 − 40)/(40 − 45) = 4800 kg/h
Atsakymas
ṁ2 = 4800 kg/h
2.Masės balansas
Atsakymas: P = 540 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 = 3300·9/55 = 540 kg/h
Atsakymas
P = 540 kg/h
3.Energijos balansas
Atsakymas: tout = 80,24 °C
Šilumokaičio energijos balansas: be nuostolių ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Karštojo srauto atiduota šiluma
Q = 2·2,1·(160 − 110) = 210 kW
Vandens gauta šiluma
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 210/(1·4,18) = 80,24 °C
Atsakymas
tout = 80,24 °C
4.Energijos balansas
Atsakymas: ṁc = 0,9705 kg/s
Energijos balansas su nuostoliais: atiduota šiluma = gauta šiluma + prarasta šiluma.
Atiduota šiluma
Qh = 1·2,44·(130 − 60) = 170,8 kW
Vandenį pasiekianti šiluma
Qc = (1 − 0,05)·170,8 = 162,3 kW
Vandens debitas
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 162,3/(4,18·40) = 0,9705 kg/s
Atsakymas
ṁc = 0,9705 kg/s
5.Idealiųjų dujų dėsnis
Atsakymas: P = 1254 kPa
Idealiųjų dujų dėsnis: PV = nRT, kur n = m/M.
Moliai
n = m/M = 410/32 = 12,81 mol
T = 80 + 273,15 = 353,1 K
Slėgis
P = nRT/V = 12,81·8,314·353,1/0,03 = 1254 kPa
Atsakymas
P = 1254 kPa
6.Idealiųjų dujų dėsnis
Atsakymas: ρ = 18,41 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 = 950·44,01/(8,314·273,1) = 18,41 kg/m³
Atsakymas
ρ = 18,41 kg/m³
7.Stechiometrija
Atsakymas: m = 10,81 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) = 20/44,1 = 0,4535 mol
n(O2) = 24/32 = 0,75 mol
Ribojantysis reagentas
0,4535/1 = 0,4535, 0,75/5 = 0,15 → O2
Produkto masė
n(H2O) = 0,15·4 = 0,6 mol
m = 0,6·18,02 = 10,81 g
Atsakymas
m = 10,81 g
8.Stechiometrija
Atsakymas: Y = 87,99 %
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(C6H12O6) = 20/180,16 = 0,111 mol
m = 0,111·2/1·46,07 = 10,23 g
Išeiga procentais
Y = 9/10,23·100 = 87,99%
Atsakymas
Y = 87,99%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances