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 = 400 kg/hx1 = 20 %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 = 3000 kg/hxF = 8 %xP = 60 %
P = kg/h
3.Energijos balansasVidutinis
Karštas skystis (glikolio mišinys) aušina vandenį priešpriešinio srauto šilumokaityje be šilumos nuostolių. Raskite vandens išėjimo temperatūrą tout.
ṁh = 2,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Energijos balansasSunkus
Karštas skystis (glikolio mišinys) šildo vandenį šilumokaityje, kuris į aplinką praranda 15% karštojo srauto atiduotos šilumos. Raskite reikiamą vandens debitą ṁc.
ṁh = 0,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 130 → 70 °Ct: 10 → 90 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)nuostoliai = 15 %
ṁc = kg/s
5.Idealiųjų dujų dėsnisVidutinis
30 L talpos inde yra 370 g dujų (CH₄), temperatūra 30 °C. Laikykite jas idealiosiomis ir raskite slėgį P.
m = 370 gM = 16,04 g/molV = 30 LT = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Idealiųjų dujų dėsnisSunkus
Raskite dujų (He) tankį ρ, kai 1000 kPa ir 20 °C, laikydami jas idealiosiomis.
M = 4,003 g/molP = 1000 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometrijaVidutinis
6 g N2 ir 40 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 C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O 30 g C3H8 sureaguoja visiškai (kitų reagentų perteklius) ir surenkama 34,32 g H2O. Raskite išeigą procentais Y.
M(C3H8) = 44,1 g/molM(H2O) = 18,02 g/molfaktinė: 34,32 g
Y = %
3Tirpalai
1.Masės balansas
Atsakymas: ṁ2 = 1600 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) = 400·(20 − 40)/(40 − 45) = 1600 kg/h
Atsakymas
ṁ2 = 1600 kg/h
2.Masės balansas
Atsakymas: P = 400 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 = 3000·8/60 = 400 kg/h
Atsakymas
P = 400 kg/h
3.Energijos balansas
Atsakymas: tout = 45,89 °C
Šilumokaičio energijos balansas: be nuostolių ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Karštojo srauto atiduota šiluma
Q = 2,5·3,6·(120 − 70) = 450 kW
Vandens gauta šiluma
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 450/(3·4,18) = 45,89 °C
Atsakymas
tout = 45,89 °C
4.Energijos balansas
Atsakymas: ṁc = 0,2745 kg/s
Energijos balansas su nuostoliais: atiduota šiluma = gauta šiluma + prarasta šiluma.
Atiduota šiluma
Qh = 0,5·3,6·(130 − 70) = 108 kW
Vandenį pasiekianti šiluma
Qc = (1 − 0,15)·108 = 91,8 kW
Vandens debitas
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 91,8/(4,18·80) = 0,2745 kg/s
Atsakymas
ṁc = 0,2745 kg/s
5.Idealiųjų dujų dėsnis
Atsakymas: P = 1938 kPa
Idealiųjų dujų dėsnis: PV = nRT, kur n = m/M.
Moliai
n = m/M = 370/16,04 = 23,07 mol
T = 30 + 273,15 = 303,1 K
Slėgis
P = nRT/V = 23,07·8,314·303,1/0,03 = 1938 kPa
Atsakymas
P = 1938 kPa
6.Idealiųjų dujų dėsnis
Atsakymas: ρ = 1,642 kg/m³
Idealiųjų dujų tankis: ρ = PM/(RT).
Pertvarkykite dujų dėsnį
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 20 + 273,15 = 293,1 K
Tankis
ρ = 1000·4,003/(8,314·293,1) = 1,642 kg/m³
Atsakymas
ρ = 1,642 kg/m³
7.Stechiometrija
Atsakymas: m = 7,293 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) = 6/28,02 = 0,2141 mol
n(H2) = 40/2,016 = 19,84 mol
Ribojantysis reagentas
0,2141/1 = 0,2141, 19,84/3 = 6,614 → N2
Produkto masė
n(NH3) = 0,2141·2 = 0,4283 mol
m = 0,4283·17,03 = 7,293 g
Atsakymas
m = 7,293 g
8.Stechiometrija
Atsakymas: Y = 69,99 %
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(C3H8) = 30/44,1 = 0,6803 mol
m = 0,6803·4/1·18,02 = 49,03 g
Išeiga procentais
Y = 34,32/49,03·100 = 69,99%
Atsakymas
Y = 69,99%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances