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 30% składnika (NaOH)? Wyznacz ṁ2.
ṁ1 = 550 kg/hx1 = 35 %x2 = 15 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilans masyTrudny
Wyparka zatęża roztwór (cukier), odparowując czystą wodę. Wyznacz ilość odparowanej wody W w kg/h.
F = 4000 kg/hxF = 7 %xP = 65 %
W = 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: 170 → 120 °Cṁc = 1 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 10% ciepła oddanego przez strumień gorący. Wyznacz potrzebne natężenie przepływu wody ṁc.
ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 80 °Ct: 20 → 85 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)straty = 10 %
ṁc = kg/s
5.Równanie stanu gazu doskonałegoŚredni
Jaką objętość V zajmuje 180 g (He) przy 350 kPa i 55 °C? Potraktuj go jak gaz doskonały.
m = 180 gM = 4,003 g/molP = 350 kPaT = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Równanie stanu gazu doskonałegoTrudny
Stała ilość gazu (N₂) przechodzi od 200 kPa, 10 L, 25 °C do 800 kPa i 190 °C. Wyznacz nową objętość V2.
P1 = 200 kPaV1 = 10 LT1 = 25 °CP2 = 800 kPaT2 = 190 °C
V2 = L
7.StechiometriaŚredni
12 g CH4 i 32 g O2 reagują zgodnie z CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Jaka masa m H2O może powstać?
M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StechiometriaTrudny
W reakcji C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O 20 g C3H8 reaguje całkowicie (pozostałe substraty w nadmiarze) i otrzymuje się 17,98 g H2O. Wyznacz wydajność procentową Y.
M(C3H8) = 44,1 g/molM(H2O) = 18,02 g/molrzeczywista: 17,98 g
Y = %
3Roztwory
1.Bilans masy
Odpowiedź: ṁ2 = 183,3 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
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
Wyznacz ṁ2
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 550·(35 − 30)/(30 − 15) = 183,3 kg/h
Odpowiedź
ṁ2 = 183,3 kg/h
2.Bilans masy
Odpowiedź: W = 3569 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 = 4000·7/65 = 430,8 kg/h
Bilans całkowity
W = F − P = 4000 − 430,8 = 3569 kg/h
Odpowiedź
W = 3569 kg/h
3.Bilans energii
Odpowiedź: tout = 83,37 °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·(170 − 120) = 244 kW
Ciepło przejęte przez wodę
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 244/(1·4,18) = 83,37 °C
Odpowiedź
tout = 83,37 °C
4.Bilans energii
Odpowiedź: ṁc = 0,7274 kg/s
Bilans energii ze stratami: ciepło oddane = ciepło przejęte + ciepło stracone.
Ciepło oddane
Qh = 1,5·2,44·(140 − 80) = 219,6 kW
Ciepło, które trafia do wody
Qc = (1 − 0,1)·219,6 = 197,6 kW
Natężenie przepływu wody
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 197,6/(4,18·65) = 0,7274 kg/s
Odpowiedź
ṁc = 0,7274 kg/s
5.Równanie stanu gazu doskonałego
Odpowiedź: V = 350,5 L
Równanie stanu gazu doskonałego: PV = nRT, gdzie n = m/M.
Mole
n = 180/4,003 = 44,97 mol
T = 55 + 273,15 = 328,1 K
Objętość
V = nRT/P = 44,97·8,314·328,1/350 = 350,5 L
Odpowiedź
V = 350,5 L
6.Równanie stanu gazu doskonałego
Odpowiedź: V2 = 3,884 L
Równanie Clapeyrona dla stałej ilości gazu: P1V1/T1 = P2V2/T2.
Temperatury bezwzględne
T1 = 298,1 K, T2 = 463,1 K
Prawo gazowe dla dwóch stanów
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(200/800)·(463,1/298,1) = 3,884 L
Odpowiedź
V2 = 3,884 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(CH4) = 12/16,04 = 0,7481 mol
n(O2) = 32/32 = 1 mol
Substrat limitujący
0,7481/1 = 0,7481, 1/2 = 0,5 → O2
Masa produktu
n(H2O) = 0,5·2 = 1 mol
m = 1·18,02 = 18,02 g
Odpowiedź
m = 18,02 g
8.Stechiometria
Odpowiedź: Y = 55 %
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(C3H8) = 20/44,1 = 0,4535 mol
m = 0,4535·4/1·18,02 = 32,69 g
Wydajność procentowa
Y = 17,98/32,69·100 = 55%
Odpowiedź
Y = 55%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances