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 25% składnika (sól)? Wyznacz ṁ2.
ṁ1 = 400 kg/hx1 = 15 %x2 = 50 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilans masyTrudny
Wyparka zatęża roztwór (sól), odparowując czystą wodę. Wyznacz strumień produktu P w kg/h.
F = 2300 kg/hxF = 10 %xP = 55 %
P = kg/h
3.Bilans energiiŚredni
Gorący czynnik (mieszanina glikolu) chłodzi wodę w przeciwprądowym wymienniku ciepła bez strat. Wyznacz temperaturę wody na wylocie tout.
ṁh = 3 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 160 → 110 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Bilans energiiTrudny
Gorący czynnik (etanol) podgrzewa wodę w wymienniku, który traci do otoczenia 15% ciepła oddanego przez strumień gorący. Wyznacz potrzebne natężenie przepływu wody ṁc.
ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 110 °Ct: 10 → 40 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)straty = 15 %
ṁc = kg/s
5.Równanie stanu gazu doskonałegoŚredni
Jaką objętość V zajmuje 60 g (CH₄) przy 300 kPa i 15 °C? Potraktuj go jak gaz doskonały.
m = 60 gM = 16,04 g/molP = 300 kPaT = 15 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Równanie stanu gazu doskonałegoTrudny
Wyznacz gęstość ρ gazu (CO₂) przy 550 kPa i 200 °C, traktując go jak gaz doskonały.
M = 44,01 g/molP = 550 kPaT = 200 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaŚredni
4 g H2 i 32 g O2 reagują zgodnie z 2H2 + O2 → 2H2O. Jaka masa m H2O może powstać?
M(H2) = 2,016M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StechiometriaTrudny
W reakcji C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 6 g C6H12O6 reaguje całkowicie (pozostałe substraty w nadmiarze) i otrzymuje się 2,67 g CO2. Wyznacz wydajność procentową Y.
M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(CO2) = 44,01 g/molrzeczywista: 2,67 g
Y = %
3Roztwory
1.Bilans masy
Odpowiedź: ṁ2 = 160 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
sól: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
Wyznacz ṁ2
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 400·(15 − 25)/(25 − 50) = 160 kg/h
Odpowiedź
ṁ2 = 160 kg/h
2.Bilans masy
Odpowiedź: P = 418,2 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 = 2300·10/55 = 418,2 kg/h
Odpowiedź
P = 418,2 kg/h
3.Bilans energii
Odpowiedź: tout = 111,1 °C
Bilans energii wymiennika: bez strat ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Ciepło oddane przez strumień gorący
Q = 3·3,6·(160 − 110) = 540 kW
Ciepło przejęte przez wodę
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 540/(1,5·4,18) = 111,1 °C
Odpowiedź
tout = 111,1 °C
4.Bilans energii
Odpowiedź: ṁc = 0,4135 kg/s
Bilans energii ze stratami: ciepło oddane = ciepło przejęte + ciepło stracone.
Ciepło oddane
Qh = 0,5·2,44·(160 − 110) = 61 kW
Ciepło, które trafia do wody
Qc = (1 − 0,15)·61 = 51,85 kW
Natężenie przepływu wody
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 51,85/(4,18·30) = 0,4135 kg/s
Odpowiedź
ṁc = 0,4135 kg/s
5.Równanie stanu gazu doskonałego
Odpowiedź: V = 29,87 L
Równanie stanu gazu doskonałego: PV = nRT, gdzie n = m/M.
Mole
n = 60/16,04 = 3,741 mol
T = 15 + 273,15 = 288,1 K
Objętość
V = nRT/P = 3,741·8,314·288,1/300 = 29,87 L
Odpowiedź
V = 29,87 L
6.Równanie stanu gazu doskonałego
Odpowiedź: ρ = 6,153 kg/m³
Gęstość gazu doskonałego: ρ = PM/(RT).
Przekształć prawo gazowe
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 200 + 273,15 = 473,1 K
Gęstość
ρ = 550·44,01/(8,314·473,1) = 6,153 kg/m³
Odpowiedź
ρ = 6,153 kg/m³
7.Stechiometria
Odpowiedź: m = 35,75 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(H2) = 4/2,016 = 1,984 mol
n(O2) = 32/32 = 1 mol
Substrat limitujący
1,984/2 = 0,9921, 1/1 = 1 → H2
Masa produktu
n(H2O) = 0,9921·2 = 1,984 mol
m = 1,984·18,02 = 35,75 g
Odpowiedź
m = 35,75 g
8.Stechiometria
Odpowiedź: Y = 91,08 %
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(C6H12O6) = 6/180,16 = 0,0333 mol
m = 0,0333·2/1·44,01 = 2,931 g
Wydajność procentowa
Y = 2,67/2,931·100 = 91,08%
Odpowiedź
Y = 91,08%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances