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 = 500 kg/hx1 = 20 %x2 = 30 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilans masyTrudny
Wyparka zatęża roztwór (sól), odparowując czystą wodę. Wyznacz strumień produktu P w kg/h.
F = 1200 kg/hxF = 13 %xP = 55 %
P = kg/h
3.Bilans energiiŚredni
Gorący czynnik (etanol) chłodzi wodę w przeciwprądowym wymienniku ciepła bez strat. Wyznacz temperaturę wody na wylocie tout.
ṁh = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 130 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Bilans energiiTrudny
Gorący czynnik (lekki olej) 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 = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 140 → 60 °Ct: 25 → 40 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)straty = 15 %
ṁc = kg/s
5.Równanie stanu gazu doskonałegoŚredni
Zbiornik o pojemności 5 L zawiera 410 g (O₂) w temperaturze 95 °C. Potraktuj go jak gaz doskonały i wyznacz ciśnienie P.
m = 410 gM = 32 g/molV = 5 LT = 95 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Równanie stanu gazu doskonałegoTrudny
Stała ilość gazu (O₂) przechodzi od 200 kPa, 2 L, 30 °C do 600 kPa i 50 °C. Wyznacz nową objętość V2.
P1 = 200 kPaV1 = 2 LT1 = 30 °CP2 = 600 kPaT2 = 50 °C
V2 = L
7.StechiometriaŚredni
8 g Al i 64 g Cl2 reagują zgodnie z 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3. Jaka masa m AlCl3 może powstać?
M(Al) = 26,98M(Cl2) = 70,9M(AlCl3) = 133,33 g/mol
m = g
8.StechiometriaTrudny
W reakcji C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O 12 g C3H8 reaguje całkowicie (pozostałe substraty w nadmiarze) i otrzymuje się 31,62 g CO2. Wyznacz wydajność procentową Y.
M(C3H8) = 44,1 g/molM(CO2) = 44,01 g/molrzeczywista: 31,62 g
Y = %
3Roztwory
1.Bilans masy
Odpowiedź: ṁ2 = 500 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) = 500·(20 − 25)/(25 − 30) = 500 kg/h
Odpowiedź
ṁ2 = 500 kg/h
2.Bilans masy
Odpowiedź: P = 283,6 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 = 1200·13/55 = 283,6 kg/h
Odpowiedź
P = 283,6 kg/h
3.Bilans energii
Odpowiedź: tout = 45,57 °C
Bilans energii wymiennika: bez strat ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Ciepło oddane przez strumień gorący
Q = 1·2,44·(170 − 130) = 97,6 kW
Ciepło przejęte przez wodę
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 97,6/(1,5·4,18) = 45,57 °C
Odpowiedź
tout = 45,57 °C
4.Bilans energii
Odpowiedź: ṁc = 6,833 kg/s
Bilans energii ze stratami: ciepło oddane = ciepło przejęte + ciepło stracone.
Ciepło oddane
Qh = 3·2,1·(140 − 60) = 504 kW
Ciepło, które trafia do wody
Qc = (1 − 0,15)·504 = 428,4 kW
Natężenie przepływu wody
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 428,4/(4,18·15) = 6,833 kg/s
Odpowiedź
ṁc = 6,833 kg/s
5.Równanie stanu gazu doskonałego
Odpowiedź: P = 7843 kPa
Równanie stanu gazu doskonałego: PV = nRT, gdzie n = m/M.
Mole
n = m/M = 410/32 = 12,81 mol
T = 95 + 273,15 = 368,1 K
Ciśnienie
P = nRT/V = 12,81·8,314·368,1/0,005 = 7843 kPa
Odpowiedź
P = 7843 kPa
6.Równanie stanu gazu doskonałego
Odpowiedź: V2 = 0,7106 L
Równanie Clapeyrona dla stałej ilości gazu: P1V1/T1 = P2V2/T2.
Temperatury bezwzględne
T1 = 303,1 K, T2 = 323,1 K
Prawo gazowe dla dwóch stanów
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(200/600)·(323,1/303,1) = 0,7106 L
Odpowiedź
V2 = 0,7106 L
7.Stechiometria
Odpowiedź: m = 39,53 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(Al) = 8/26,98 = 0,2965 mol
n(Cl2) = 64/70,9 = 0,9027 mol
Substrat limitujący
0,2965/2 = 0,1483, 0,9027/3 = 0,3009 → Al
Masa produktu
n(AlCl3) = 0,1483·2 = 0,2965 mol
m = 0,2965·133,33 = 39,53 g
Odpowiedź
m = 39,53 g
8.Stechiometria
Odpowiedź: Y = 88,01 %
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(C3H8) = 12/44,1 = 0,2721 mol
m = 0,2721·3/1·44,01 = 35,93 g
Wydajność procentowa
Y = 31,62/35,93·100 = 88,01%
Odpowiedź
Y = 88,01%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances