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 = 450 kg/hx1 = 20 %x2 = 30 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilans masyTrudny
Wyparka zatęża roztwór (sól), odparowując czystą wodę. Wyznacz ilość odparowanej wody W w kg/h.
F = 4900 kg/hxF = 16 %xP = 40 %
W = kg/h
3.Bilans energiiŚredni
Gorący czynnik (etanol) chłodzi wodę w przeciwprądowym wymienniku ciepła bez strat. Wyznacz temperaturę wody na wylocie tout.
ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 90 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °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 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 150 → 90 °Ct: 10 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)straty = 10 %
ṁc = kg/s
5.Równanie stanu gazu doskonałegoŚredni
Zbiornik o pojemności 50 L zawiera 380 g (Ar) w temperaturze 20 °C. Potraktuj go jak gaz doskonały i wyznacz ciśnienie P.
m = 380 gM = 39,95 g/molV = 50 LT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Równanie stanu gazu doskonałegoTrudny
Stała ilość gazu (O₂) przechodzi od 100 kPa, 10 L, 40 °C do 350 kPa i 230 °C. Wyznacz nową objętość V2.
P1 = 100 kPaV1 = 10 LT1 = 40 °CP2 = 350 kPaT2 = 230 °C
V2 = L
7.StechiometriaŚredni
10 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 Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 30 g Fe2O3 reaguje całkowicie (pozostałe substraty w nadmiarze) i otrzymuje się 16,37 g Fe. Wyznacz wydajność procentową Y.
M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(Fe) = 55,85 g/molrzeczywista: 16,37 g
Y = %
3Roztwory
1.Bilans masy
Odpowiedź: ṁ2 = 450 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) = 450·(20 − 25)/(25 − 30) = 450 kg/h
Odpowiedź
ṁ2 = 450 kg/h
2.Bilans masy
Odpowiedź: W = 2940 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 = 4900·16/40 = 1960 kg/h
Bilans całkowity
W = F − P = 4900 − 1960 = 2940 kg/h
Odpowiedź
W = 2940 kg/h
3.Bilans energii
Odpowiedź: tout = 62,54 °C
Bilans energii wymiennika: bez strat ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Ciepło oddane przez strumień gorący
Q = 1,5·2,44·(180 − 90) = 329,4 kW
Ciepło przejęte przez wodę
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 329,4/(1,5·4,18) = 62,54 °C
Odpowiedź
tout = 62,54 °C
4.Bilans energii
Odpowiedź: ṁc = 0,9699 kg/s
Bilans energii ze stratami: ciepło oddane = ciepło przejęte + ciepło stracone.
Ciepło oddane
Qh = 2·2,44·(150 − 90) = 292,8 kW
Ciepło, które trafia do wody
Qc = (1 − 0,1)·292,8 = 263,5 kW
Natężenie przepływu wody
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 263,5/(4,18·65) = 0,9699 kg/s
Odpowiedź
ṁc = 0,9699 kg/s
5.Równanie stanu gazu doskonałego
Odpowiedź: P = 463,7 kPa
Równanie stanu gazu doskonałego: PV = nRT, gdzie n = m/M.
Mole
n = m/M = 380/39,95 = 9,512 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K
Ciśnienie
P = nRT/V = 9,512·8,314·293,1/0,05 = 463,7 kPa
Odpowiedź
P = 463,7 kPa
6.Równanie stanu gazu doskonałego
Odpowiedź: V2 = 4,591 L
Równanie Clapeyrona dla stałej ilości gazu: P1V1/T1 = P2V2/T2.
Temperatury bezwzględne
T1 = 313,1 K, T2 = 503,1 K
Prawo gazowe dla dwóch stanów
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(100/350)·(503,1/313,1) = 4,591 L
Odpowiedź
V2 = 4,591 L
7.Stechiometria
Odpowiedź: m = 25,42 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) = 10/22,99 = 0,435 mol
n(Cl2) = 24/70,9 = 0,3385 mol
Substrat limitujący
0,435/2 = 0,2175, 0,3385/1 = 0,3385 → Na
Masa produktu
n(NaCl) = 0,2175·2 = 0,435 mol
m = 0,435·58,44 = 25,42 g
Odpowiedź
m = 25,42 g
8.Stechiometria
Odpowiedź: Y = 78,01 %
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(Fe2O3) = 30/159,69 = 0,1879 mol
m = 0,1879·2/1·55,85 = 20,98 g
Wydajność procentowa
Y = 16,37/20,98·100 = 78,01%
Odpowiedź
Y = 78,01%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances