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 (cukier)? Wyznacz ṁ2.
ṁ1 = 900 kg/hx1 = 45 %x2 = 5 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilans masyTrudny
Wyparka zatęża roztwór (NaOH), odparowując czystą wodę. Wyznacz ilość odparowanej wody W w kg/h.
F = 3600 kg/hxF = 11 %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 = 3 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 140 → 110 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Bilans energiiTrudny
Gorący czynnik (mieszanina glikolu) podgrzewa wodę w wymienniku, który traci do otoczenia 15% ciepła oddanego przez strumień gorący. Wyznacz potrzebne natężenie przepływu wody ṁc.
ṁh = 1 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 110 °Ct: 25 → 90 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)straty = 15 %
ṁc = kg/s
5.Równanie stanu gazu doskonałegoŚredni
Jaką objętość V zajmuje 200 g (He) przy 300 kPa i 20 °C? Potraktuj go jak gaz doskonały.
m = 200 gM = 4,003 g/molP = 300 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Równanie stanu gazu doskonałegoTrudny
Stała ilość gazu (CO₂) przechodzi od 400 kPa, 5 L, 25 °C do 650 kPa i 140 °C. Wyznacz nową objętość V2.
P1 = 400 kPaV1 = 5 LT1 = 25 °CP2 = 650 kPaT2 = 140 °C
V2 = L
7.StechiometriaŚredni
20 g N2 i 32 g H2 reagują zgodnie z N2 + 3H2 → 2NH3. Jaka masa m NH3 może powstać?
M(N2) = 28,02M(H2) = 2,016M(NH3) = 17,03 g/mol
m = g
8.StechiometriaTrudny
W reakcji N2 + 3H2 → 2NH3 20 g N2 reaguje całkowicie (pozostałe substraty w nadmiarze) i otrzymuje się 18,96 g NH3. Wyznacz wydajność procentową Y.
M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molrzeczywista: 18,96 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
cukier: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
Wyznacz ṁ2
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 900·(45 − 25)/(25 − 5) = 900 kg/h
Odpowiedź
ṁ2 = 900 kg/h
2.Bilans masy
Odpowiedź: W = 2280 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 = 3600·11/30 = 1320 kg/h
Bilans całkowity
W = F − P = 3600 − 1320 = 2280 kg/h
Odpowiedź
W = 2280 kg/h
3.Bilans energii
Odpowiedź: tout = 40,07 °C
Bilans energii wymiennika: bez strat ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Ciepło oddane przez strumień gorący
Q = 3·2,1·(140 − 110) = 189 kW
Ciepło przejęte przez wodę
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 189/(3·4,18) = 40,07 °C
Odpowiedź
tout = 40,07 °C
4.Bilans energii
Odpowiedź: ṁc = 0,4505 kg/s
Bilans energii ze stratami: ciepło oddane = ciepło przejęte + ciepło stracone.
Ciepło oddane
Qh = 1·3,6·(150 − 110) = 144 kW
Ciepło, które trafia do wody
Qc = (1 − 0,15)·144 = 122,4 kW
Natężenie przepływu wody
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 122,4/(4,18·65) = 0,4505 kg/s
Odpowiedź
ṁc = 0,4505 kg/s
5.Równanie stanu gazu doskonałego
Odpowiedź: V = 405,9 L
Równanie stanu gazu doskonałego: PV = nRT, gdzie n = m/M.
Mole
n = 200/4,003 = 49,96 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K
Objętość
V = nRT/P = 49,96·8,314·293,1/300 = 405,9 L
Odpowiedź
V = 405,9 L
6.Równanie stanu gazu doskonałego
Odpowiedź: V2 = 4,264 L
Równanie Clapeyrona dla stałej ilości gazu: P1V1/T1 = P2V2/T2.
Temperatury bezwzględne
T1 = 298,1 K, T2 = 413,1 K
Prawo gazowe dla dwóch stanów
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(400/650)·(413,1/298,1) = 4,264 L
Odpowiedź
V2 = 4,264 L
7.Stechiometria
Odpowiedź: m = 24,31 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(N2) = 20/28,02 = 0,7138 mol
n(H2) = 32/2,016 = 15,87 mol
Substrat limitujący
0,7138/1 = 0,7138, 15,87/3 = 5,291 → N2
Masa produktu
n(NH3) = 0,7138·2 = 1,428 mol
m = 1,428·17,03 = 24,31 g
Odpowiedź
m = 24,31 g
8.Stechiometria
Odpowiedź: Y = 77,99 %
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(N2) = 20/28,02 = 0,7138 mol
m = 0,7138·2/1·17,03 = 24,31 g
Wydajność procentowa
Y = 18,96/24,31·100 = 77,99%
Odpowiedź
Y = 77,99%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances