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 = 350 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 = 2300 kg/hxF = 5 %xP = 45 %
W = kg/h
3.Bilans energiiŚredni
Gorący czynnik (etanol) chłodzi wodę w przeciwprądowym wymienniku ciepła bez strat. Wyznacz temperaturę wody na wylocie tout.
ṁh = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 150 → 120 °Cṁc = 1 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 5% ciepła oddanego przez strumień gorący. Wyznacz potrzebne natężenie przepływu wody ṁc.
ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 80 °Ct: 15 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)straty = 5 %
ṁc = kg/s
5.Równanie stanu gazu doskonałegoŚredni
Zbiornik o pojemności 30 L zawiera 280 g (He) w temperaturze 55 °C. Potraktuj go jak gaz doskonały i wyznacz ciśnienie P.
m = 280 gM = 4,003 g/molV = 30 LT = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Równanie stanu gazu doskonałegoTrudny
Wyznacz gęstość ρ gazu (Ar) przy 700 kPa i 110 °C, traktując go jak gaz doskonały.
M = 39,95 g/molP = 700 kPaT = 110 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StechiometriaŚredni
6 g N2 i 10 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 C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 12 g C6H12O6 reaguje całkowicie (pozostałe substraty w nadmiarze) i otrzymuje się 4,57 g CO2. Wyznacz wydajność procentową Y.
M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(CO2) = 44,01 g/molrzeczywista: 4,57 g
Y = %
3Roztwory
1.Bilans masy
Odpowiedź: ṁ2 = 350 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) = 350·(45 − 25)/(25 − 5) = 350 kg/h
Odpowiedź
ṁ2 = 350 kg/h
2.Bilans masy
Odpowiedź: W = 2044 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 = 2300·5/45 = 255,6 kg/h
Bilans całkowity
W = F − P = 2300 − 255,6 = 2044 kg/h
Odpowiedź
W = 2044 kg/h
3.Bilans energii
Odpowiedź: tout = 82,54 °C
Bilans energii wymiennika: bez strat ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Ciepło oddane przez strumień gorący
Q = 3·2,44·(150 − 120) = 219,6 kW
Ciepło przejęte przez wodę
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 219,6/(1·4,18) = 82,54 °C
Odpowiedź
tout = 82,54 °C
4.Bilans energii
Odpowiedź: ṁc = 1,67 kg/s
Bilans energii ze stratami: ciepło oddane = ciepło przejęte + ciepło stracone.
Ciepło oddane
Qh = 2,5·2,1·(150 − 80) = 367,5 kW
Ciepło, które trafia do wody
Qc = (1 − 0,05)·367,5 = 349,1 kW
Natężenie przepływu wody
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 349,1/(4,18·50) = 1,67 kg/s
Odpowiedź
ṁc = 1,67 kg/s
5.Równanie stanu gazu doskonałego
Odpowiedź: P = 6361 kPa
Równanie stanu gazu doskonałego: PV = nRT, gdzie n = m/M.
Mole
n = m/M = 280/4,003 = 69,95 mol
T = 55 + 273,15 = 328,1 K
Ciśnienie
P = nRT/V = 69,95·8,314·328,1/0,03 = 6361 kPa
Odpowiedź
P = 6361 kPa
6.Równanie stanu gazu doskonałego
Odpowiedź: ρ = 8,779 kg/m³
Gęstość gazu doskonałego: ρ = PM/(RT).
Przekształć prawo gazowe
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 110 + 273,15 = 383,1 K
Gęstość
ρ = 700·39,95/(8,314·383,1) = 8,779 kg/m³
Odpowiedź
ρ = 8,779 kg/m³
7.Stechiometria
Odpowiedź: m = 7,293 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) = 6/28,02 = 0,2141 mol
n(H2) = 10/2,016 = 4,96 mol
Substrat limitujący
0,2141/1 = 0,2141, 4,96/3 = 1,653 → N2
Masa produktu
n(NH3) = 0,2141·2 = 0,4283 mol
m = 0,4283·17,03 = 7,293 g
Odpowiedź
m = 7,293 g
8.Stechiometria
Odpowiedź: Y = 77,95 %
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(C6H12O6) = 12/180,16 = 0,06661 mol
m = 0,06661·2/1·44,01 = 5,863 g
Wydajność procentowa
Y = 4,57/5,863·100 = 77,95%
Odpowiedź
Y = 77,95%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances