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 (cukier)? Wyznacz ṁ2.
ṁ1 = 950 kg/hx1 = 10 %x2 = 35 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilans masyTrudny
Wyparka zatęża roztwór (cukier), odparowując czystą wodę. Wyznacz strumień produktu P w kg/h.
F = 4600 kg/hxF = 20 %xP = 60 %
P = kg/h
3.Bilans energiiŚredni
Gorący czynnik (etanol) chłodzi wodę w przeciwprądowym wymienniku ciepła bez strat. Wyznacz temperaturę wody na wylocie tout.
ṁh = 2 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 90 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Bilans energiiTrudny
Gorący czynnik (lekki olej) podgrzewa wodę w wymienniku, który traci do otoczenia 10% ciepła oddanego przez strumień gorący. Wyznacz potrzebne natężenie przepływu wody ṁc.
ṁh = 3 kg/scp,h = 2,1 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 30 L zawiera 430 g (He) w temperaturze 20 °C. Potraktuj go jak gaz doskonały i wyznacz ciśnienie P.
m = 430 gM = 4,003 g/molV = 30 LT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Równanie stanu gazu doskonałegoTrudny
Stała ilość gazu (Ar) przechodzi od 100 kPa, 20 L, 20 °C do 800 kPa i 50 °C. Wyznacz nową objętość V2.
P1 = 100 kPaV1 = 20 LT1 = 20 °CP2 = 800 kPaT2 = 50 °C
V2 = L
7.StechiometriaŚredni
4 g C3H8 i 10 g O2 reagują zgodnie z C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. Jaka masa m CO2 może powstać?
M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.StechiometriaTrudny
W reakcji N2 + 3H2 → 2NH3 4 g N2 reaguje całkowicie (pozostałe substraty w nadmiarze) i otrzymuje się 3,01 g NH3. Wyznacz wydajność procentową Y.
M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molrzeczywista: 3,01 g
Y = %
3Roztwory
1.Bilans masy
Odpowiedź: ṁ2 = 237,5 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
cukier: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
Wyznacz ṁ2
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 950·(10 − 15)/(15 − 35) = 237,5 kg/h
Odpowiedź
ṁ2 = 237,5 kg/h
2.Bilans masy
Odpowiedź: P = 1533 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 = 4600·20/60 = 1533 kg/h
Odpowiedź
P = 1533 kg/h
3.Bilans energii
Odpowiedź: tout = 40,57 °C
Bilans energii wymiennika: bez strat ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Ciepło oddane przez strumień gorący
Q = 2·2,44·(130 − 90) = 195,2 kW
Ciepło przejęte przez wodę
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 195,2/(3·4,18) = 40,57 °C
Odpowiedź
tout = 40,57 °C
4.Bilans energii
Odpowiedź: ṁc = 1,252 kg/s
Bilans energii ze stratami: ciepło oddane = ciepło przejęte + ciepło stracone.
Ciepło oddane
Qh = 3·2,1·(150 − 90) = 378 kW
Ciepło, które trafia do wody
Qc = (1 − 0,1)·378 = 340,2 kW
Natężenie przepływu wody
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 340,2/(4,18·65) = 1,252 kg/s
Odpowiedź
ṁc = 1,252 kg/s
5.Równanie stanu gazu doskonałego
Odpowiedź: P = 8727 kPa
Równanie stanu gazu doskonałego: PV = nRT, gdzie n = m/M.
Mole
n = m/M = 430/4,003 = 107,4 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K
Ciśnienie
P = nRT/V = 107,4·8,314·293,1/0,03 = 8727 kPa
Odpowiedź
P = 8727 kPa
6.Równanie stanu gazu doskonałego
Odpowiedź: V2 = 2,756 L
Równanie Clapeyrona dla stałej ilości gazu: P1V1/T1 = P2V2/T2.
Temperatury bezwzględne
T1 = 293,1 K, T2 = 323,1 K
Prawo gazowe dla dwóch stanów
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(100/800)·(323,1/293,1) = 2,756 L
Odpowiedź
V2 = 2,756 L
7.Stechiometria
Odpowiedź: m = 8,252 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) = 4/44,1 = 0,0907 mol
n(O2) = 10/32 = 0,3125 mol
Substrat limitujący
0,0907/1 = 0,0907, 0,3125/5 = 0,0625 → O2
Masa produktu
n(CO2) = 0,0625·3 = 0,1875 mol
m = 0,1875·44,01 = 8,252 g
Odpowiedź
m = 8,252 g
8.Stechiometria
Odpowiedź: Y = 61,91 %
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(N2) = 4/28,02 = 0,1428 mol
m = 0,1428·2/1·17,03 = 4,862 g
Wydajność procentowa
Y = 3,01/4,862·100 = 61,91%
Odpowiedź
Y = 61,91%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances