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 20% komponento (NaOH)? Raskite ṁ2.
ṁ1 = 550 kg/hx1 = 15 %x2 = 30 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Masės balansasSunkus
Garintuvas koncentruoja tirpalą (druska) išgarindamas gryną vandenį. Raskite išgarinto vandens kiekį W vienetais kg/h.
F = 2400 kg/hxF = 13 %xP = 65 %
W = 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 → 80 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °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 = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 130 °Ct: 10 → 55 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)nuostoliai = 15 %
ṁc = kg/s
5.Idealiųjų dujų dėsnisVidutinis
Kokį tūrį V užima 470 g dujų (CH₄), kai 100 kPa ir 85 °C? Laikykite jas idealiosiomis.
m = 470 gM = 16,04 g/molP = 100 kPaT = 85 °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 300 kPa ir 190 °C. Raskite naują tūrį V2.
P1 = 350 kPaV1 = 2 LT1 = 15 °CP2 = 300 kPaT2 = 190 °C
V2 = L
7.StechiometrijaVidutinis
4 g Al ir 64 g Cl2 reaguoja pagal 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3. Kokia AlCl3 masė m gali susidaryti?
M(Al) = 26,98M(Cl2) = 70,9M(AlCl3) = 133,33 g/mol
m = g
8.StechiometrijaSunkus
Reakcijoje Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 20 g Fe2O3 sureaguoja visiškai (kitų reagentų perteklius) ir surenkama 13,56 g CO2. Raskite išeigą procentais Y.
M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(CO2) = 44,01 g/molfaktinė: 13,56 g
Y = %
3Tirpalai
1.Masės balansas
Atsakymas: ṁ2 = 275 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) = 550·(15 − 20)/(20 − 30) = 275 kg/h
Atsakymas
ṁ2 = 275 kg/h
2.Masės balansas
Atsakymas: W = 1920 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 = 2400·13/65 = 480 kg/h
Bendras balansas
W = F − P = 2400 − 480 = 1920 kg/h
Atsakymas
W = 1920 kg/h
3.Energijos balansas
Atsakymas: tout = 40,14 °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 − 80) = 126 kW
Vandens gauta šiluma
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 126/(1·4,18) = 40,14 °C
Atsakymas
tout = 40,14 °C
4.Energijos balansas
Atsakymas: ṁc = 0,1423 kg/s
Energijos balansas su nuostoliais: atiduota šiluma = gauta šiluma + prarasta šiluma.
Atiduota šiluma
Qh = 0,5·2,1·(160 − 130) = 31,5 kW
Vandenį pasiekianti šiluma
Qc = (1 − 0,15)·31,5 = 26,77 kW
Vandens debitas
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 26,77/(4,18·45) = 0,1423 kg/s
Atsakymas
ṁc = 0,1423 kg/s
5.Idealiųjų dujų dėsnis
Atsakymas: V = 872,5 L
Idealiųjų dujų dėsnis: PV = nRT, kur n = m/M.
Moliai
n = 470/16,04 = 29,3 mol
T = 85 + 273,15 = 358,1 K
Tūris
V = nRT/P = 29,3·8,314·358,1/100 = 872,5 L
Atsakymas
V = 872,5 L
6.Idealiųjų dujų dėsnis
Atsakymas: V2 = 3,75 L
Jungtinis dujų dėsnis: pastoviam idealiųjų dujų kiekiui P1V1/T1 = P2V2/T2.
Absoliučiosios temperatūros
T1 = 288,1 K, T2 = 463,1 K
Jungtinis dujų dėsnis
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(350/300)·(463,1/288,1) = 3,75 L
Atsakymas
V2 = 3,75 L
7.Stechiometrija
Atsakymas: m = 19,77 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(Al) = 4/26,98 = 0,1483 mol
n(Cl2) = 64/70,9 = 0,9027 mol
Ribojantysis reagentas
0,1483/2 = 0,07413, 0,9027/3 = 0,3009 → Al
Produkto masė
n(AlCl3) = 0,07413·2 = 0,1483 mol
m = 0,1483·133,33 = 19,77 g
Atsakymas
m = 19,77 g
8.Stechiometrija
Atsakymas: Y = 82 %
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) = 20/159,69 = 0,1252 mol
m = 0,1252·3/1·44,01 = 16,54 g
Išeiga procentais
Y = 13,56/16,54·100 = 82%
Atsakymas
Y = 82%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances