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 (sól)? Wyznacz ṁ2.
ṁ1 = 600 kg/hx1 = 30 %x2 = 5 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilans masyTrudny
Wyparka zatęża roztwór (cukier), odparowując czystą wodę. Wyznacz ilość odparowanej wody W w kg/h.
F = 2900 kg/hxF = 12 %xP = 30 %
W = kg/h
3.Bilans energiiŚredni
Gorący czynnik (lekki olej) chłodzi wodę w przeciwprądowym wymienniku ciepła bez strat. Wyznacz temperaturę wody na wylocie tout.
ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 60 °Cṁc = 0,5 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 15% ciepła oddanego przez strumień gorący. Wyznacz potrzebne natężenie przepływu wody ṁc.
ṁh = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 70 °Ct: 15 → 40 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)straty = 15 %
ṁc = kg/s
5.Równanie stanu gazu doskonałegoŚredni
Zbiornik o pojemności 10 L zawiera 320 g (CO₂) w temperaturze 15 °C. Potraktuj go jak gaz doskonały i wyznacz ciśnienie P.
m = 320 gM = 44,01 g/molV = 10 LT = 15 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Równanie stanu gazu doskonałegoTrudny
Stała ilość gazu (He) przechodzi od 350 kPa, 5 L, 15 °C do 600 kPa i 100 °C. Wyznacz nową objętość V2.
P1 = 350 kPaV1 = 5 LT1 = 15 °CP2 = 600 kPaT2 = 100 °C
V2 = L
7.StechiometriaŚredni
30 g C3H8 i 40 g O2 reagują zgodnie z C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. Jaka masa m H2O może powstać?
M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StechiometriaTrudny
W reakcji 2Na + Cl2 → 2NaCl 20 g Na reaguje całkowicie (pozostałe substraty w nadmiarze) i otrzymuje się 43,21 g NaCl. Wyznacz wydajność procentową Y.
M(Na) = 22,99 g/molM(NaCl) = 58,44 g/molrzeczywista: 43,21 g
Y = %
3Roztwory
1.Bilans masy
Odpowiedź: ṁ2 = 900 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) = 600·(30 − 15)/(15 − 5) = 900 kg/h
Odpowiedź
ṁ2 = 900 kg/h
2.Bilans masy
Odpowiedź: W = 1740 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 = 2900·12/30 = 1160 kg/h
Bilans całkowity
W = F − P = 2900 − 1160 = 1740 kg/h
Odpowiedź
W = 1740 kg/h
3.Bilans energii
Odpowiedź: tout = 40,14 °C
Bilans energii wymiennika: bez strat ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Ciepło oddane przez strumień gorący
Q = 0,5·2,1·(120 − 60) = 63 kW
Ciepło przejęte przez wodę
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 63/(0,5·4,18) = 40,14 °C
Odpowiedź
tout = 40,14 °C
4.Bilans energii
Odpowiedź: ṁc = 5,954 kg/s
Bilans energii ze stratami: ciepło oddane = ciepło przejęte + ciepło stracone.
Ciepło oddane
Qh = 3·2,44·(170 − 70) = 732 kW
Ciepło, które trafia do wody
Qc = (1 − 0,15)·732 = 622,2 kW
Natężenie przepływu wody
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 622,2/(4,18·25) = 5,954 kg/s
Odpowiedź
ṁc = 5,954 kg/s
5.Równanie stanu gazu doskonałego
Odpowiedź: P = 1742 kPa
Równanie stanu gazu doskonałego: PV = nRT, gdzie n = m/M.
Mole
n = m/M = 320/44,01 = 7,271 mol
T = 15 + 273,15 = 288,1 K
Ciśnienie
P = nRT/V = 7,271·8,314·288,1/0,01 = 1742 kPa
Odpowiedź
P = 1742 kPa
6.Równanie stanu gazu doskonałego
Odpowiedź: V2 = 3,777 L
Równanie Clapeyrona dla stałej ilości gazu: P1V1/T1 = P2V2/T2.
Temperatury bezwzględne
T1 = 288,1 K, T2 = 373,1 K
Prawo gazowe dla dwóch stanów
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(350/600)·(373,1/288,1) = 3,777 L
Odpowiedź
V2 = 3,777 L
7.Stechiometria
Odpowiedź: m = 18,02 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(C3H8) = 30/44,1 = 0,6803 mol
n(O2) = 40/32 = 1,25 mol
Substrat limitujący
0,6803/1 = 0,6803, 1,25/5 = 0,25 → O2
Masa produktu
n(H2O) = 0,25·4 = 1 mol
m = 1·18,02 = 18,02 g
Odpowiedź
m = 18,02 g
8.Stechiometria
Odpowiedź: Y = 84,99 %
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(Na) = 20/22,99 = 0,8699 mol
m = 0,8699·2/2·58,44 = 50,84 g
Wydajność procentowa
Y = 43,21/50,84·100 = 84,99%
Odpowiedź
Y = 84,99%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances