Bilans masy
- Stan ustalony
- na wejściu = na wyjściu
- Bilans całkowity
- ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
- Bilans składnika
- ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
- Wyparka
- F·xF = P·xP, W = F − P
Bilanse masy i energii: zestaw na powtórkę
Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 8 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.
1Wzory i metody
Bilans energii
- Ciepło jawne
- Q = ṁ·cp·ΔT
- Ciepło utajone
- Q = ṁ·hfg
- Mieszanie
- ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
- Woda
- cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)
Równanie stanu gazu doskonałego
- Równanie stanu gazu doskonałego
- pV = nRT
- Stała gazowa
- R = 8,314 J/(mol·K)
- Prawo gazowe dla dwóch stanów
- p1V1/T1 = p2V2/T2
- Mole
- n = m/M
- Temperatura
- T[K] = T[°C] + 273,15
Stechiometria
- Mole
- n = m/M
- Stężenie
- c = n/V
- Stosunek molowy
- użyj współczynników uzgodnionego równania
- Substrat limitujący
- ten, który wyczerpie się pierwszy
- Wydajność procentowa
- rzeczywista / teoretyczna × 100%
Metoda
- Napisz i zbilansuj równanie reakcji.
- Zamień podaną masę na mole: n = m/M.
- Użyj współczynników jako stosunku molowego, aby wyznaczyć liczbę moli szukanej substancji.
- Przelicz z powrotem na masę: m = n·M. Przy dwóch substratach najpierw wyznacz substrat limitujący.
2Zadania do ćwiczenia
1.Bilans masyŚredni
Ile strumienia 2 trzeba co godzinę dodać do strumienia 1, aby mieszanina zawierała 15% składnika (NaOH)? Wyznacz ṁ2.
ṁ1 = 600 kg/hx1 = 40 %x2 = 5 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilans masyTrudny
Wyparka zatęża roztwór (sól), odparowując czystą wodę. Wyznacz ilość odparowanej wody W w kg/h.
F = 3200 kg/hxF = 17 %xP = 60 %
W = kg/h
3.Bilans energiiŚredni
Gorący czynnik (etanol) chłodzi wodę w przeciwprądowym wymienniku ciepła bez strat. Wyznacz temperaturę wody na wylocie tout.
ṁh = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 80 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Bilans energiiTrudny
Gorący czynnik (etanol) podgrzewa wodę w wymienniku, który traci do otoczenia 10% ciepła oddanego przez strumień gorący. Wyznacz potrzebne natężenie przepływu wody ṁc.
ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 70 °Ct: 25 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)straty = 10 %
ṁc = kg/s
5.Równanie stanu gazu doskonałegoŚredni
Jaką objętość V zajmuje 110 g (CO₂) przy 650 kPa i 70 °C? Potraktuj go jak gaz doskonały.
m = 110 gM = 44,01 g/molP = 650 kPaT = 70 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Równanie stanu gazu doskonałegoTrudny
Wyznacz gęstość ρ gazu (CO₂) przy 150 kPa i 90 °C, traktując go jak gaz doskonały.
M = 44,01 g/molP = 150 kPaT = 90 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaŚredni
20 g Na i 24 g Cl2 reagują zgodnie z 2Na + Cl2 → 2NaCl. Jaka masa m NaCl może powstać?
M(Na) = 22,99M(Cl2) = 70,9M(NaCl) = 58,44 g/mol
m = g
8.StechiometriaTrudny
W reakcji 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3 6 g Al reaguje całkowicie (pozostałe substraty w nadmiarze) i otrzymuje się 24,31 g AlCl3. Wyznacz wydajność procentową Y.
M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl3) = 133,33 g/molrzeczywista: 24,31 g
Y = %
3Roztwory
1.Bilans masy
Odpowiedź: ṁ2 = 1500 kg/h
Bilans masy w stanie ustalonym: wlot = wylot dla całości i dla każdego składnika. Zadania z mieszaniem łączą oba.
Bilanse
Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
Wyznacz ṁ2
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 600·(40 − 15)/(15 − 5) = 1500 kg/h
Odpowiedź
ṁ2 = 1500 kg/h
2.Bilans masy
Odpowiedź: W = 2293 kg/h
Składnik kluczowy: składnik, który przechodzi bez zmian w jednym strumieniu (tu substancja rozpuszczona), wiąże strumienie bezpośrednio. Resztę daje bilans całkowity.
Bilans substancji rozpuszczonej
F·xF = P·xP → P = 3200·17/60 = 906,7 kg/h
Bilans całkowity
W = F − P = 3200 − 906,7 = 2293 kg/h
Odpowiedź
W = 2293 kg/h
3.Bilans energii
Odpowiedź: tout = 146,7 °C
Bilans energii wymiennika: bez strat ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Ciepło oddane przez strumień gorący
Q = 3·2,44·(180 − 80) = 732 kW
Ciepło przejęte przez wodę
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 732/(1,5·4,18) = 146,7 °C
Odpowiedź
tout = 146,7 °C
4.Bilans energii
Odpowiedź: ṁc = 2,889 kg/s
Bilans energii ze stratami: ciepło oddane = ciepło przejęte + ciepło stracone.
Ciepło oddane
Qh = 2,5·2,44·(180 − 70) = 671 kW
Ciepło, które trafia do wody
Qc = (1 − 0,1)·671 = 603,9 kW
Natężenie przepływu wody
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 603,9/(4,18·50) = 2,889 kg/s
Odpowiedź
ṁc = 2,889 kg/s
5.Równanie stanu gazu doskonałego
Odpowiedź: V = 10,97 L
Równanie stanu gazu doskonałego: PV = nRT, gdzie n = m/M.
Mole
n = 110/44,01 = 2,499 mol
T = 70 + 273,15 = 343,1 K
Objętość
V = nRT/P = 2,499·8,314·343,1/650 = 10,97 L
Odpowiedź
V = 10,97 L
6.Równanie stanu gazu doskonałego
Odpowiedź: ρ = 2,186 kg/m³
Gęstość gazu doskonałego: ρ = PM/(RT).
Przekształć prawo gazowe
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 90 + 273,15 = 363,1 K
Gęstość
ρ = 150·44,01/(8,314·363,1) = 2,186 kg/m³
Odpowiedź
ρ = 2,186 kg/m³
7.Stechiometria
Odpowiedź: m = 39,56 g
Stechiometria: uzgodnione równanie liczy cząstki, nie gramy. Zamień masę na mole wzorem n = m/M, użyj współczynników równania jako stosunku molowego, a potem wróć do masy: m = n·M. Przy dwóch substratach substrat limitujący to ten, który zużyje się pierwszy i ogranicza ilość produktu.
Mole każdego substratu
n(Na) = 20/22,99 = 0,8699 mol
n(Cl2) = 24/70,9 = 0,3385 mol
Substrat limitujący
0,8699/2 = 0,435, 0,3385/1 = 0,3385 → Cl2
Masa produktu
n(NaCl) = 0,3385·2 = 0,677 mol
m = 0,677·58,44 = 39,56 g
Odpowiedź
m = 39,56 g
8.Stechiometria
Odpowiedź: Y = 81,99 %
Stechiometria: uzgodnione równanie liczy cząstki, nie gramy. Zamień masę na mole wzorem n = m/M, użyj współczynników równania jako stosunku molowego, a potem wróć do masy: m = n·M. Przy dwóch substratach substrat limitujący to ten, który zużyje się pierwszy i ogranicza ilość produktu.
Wydajność teoretyczna
n(Al) = 6/26,98 = 0,2224 mol
m = 0,2224·2/2·133,33 = 29,65 g
Wydajność procentowa
Y = 24,31/29,65·100 = 81,99%
Odpowiedź
Y = 81,99%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances