Материальные и энергетические балансы: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (8) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Материальный баланс

Установившийся режим
вход = выход
Общий баланс
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Баланс компонента
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Выпарной аппарат
F·xF = P·xP, W = F − P

Энергетический баланс

Явная теплота
Q = ṁ·cp·ΔT
Скрытая теплота
Q = ṁ·hfg
Смешение
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Вода
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Уравнение состояния идеального газа

Уравнение состояния идеального газа
pV = nRT
Газовая постоянная
R = 8,314 J/(mol·K)
Объединённый газовый закон
p1V1/T1 = p2V2/T2
Моли
n = m/M
Температура
T[K] = T[°C] + 273,15

Стехиометрия

Моли
n = m/M
Концентрация
c = n/V
Мольное соотношение
используйте стехиометрические коэффициенты уравнения реакции
Лимитирующий реагент
тот, что заканчивается первым
Выход в процентах
фактический / теоретический × 100%

Метод

  1. Запишите и уравняйте химическое уравнение.
  2. Переведите данную массу в моли: n = m/M.
  3. Используйте коэффициенты как мольное отношение, чтобы найти количество нужного вещества в молях.
  4. Переведите обратно в массу по m = n·M. Если реагентов два, сначала найдите лимитирующий реагент.

2Тренировочные задачи

1.Материальный балансСредняя
СмесительПоток 1400 kg/h · 50% NaOHПоток 2ṁ₂ = ? · 10% NaOHПродукт15% NaOH

Сколько потока 2 нужно каждый час добавлять к потоку 1, чтобы смесь содержала 15% компонента (NaOH)? Найдите ṁ2.

ṁ1 = 400 kg/hx1 = 50 %x2 = 10 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Материальный балансСложная
Выпарной аппаратПитание F2500 kg/h · 7% сахарПродукт P35% сахарПар W (чистая вода)W = ? kg/h

Выпарной аппарат концентрирует раствор (сахар), выпаривая чистую воду. Найдите количество выпаренной воды W в kg/h.

F = 2500 kg/hxF = 7 %xP = 35 %
W = kg/h
3.Энергетический балансСредняя
горячая сторонахолодная сторонаэтанол · 140 °C90 °Cвода · 30 °Ct = ? °C

Горячий теплоноситель (этанол) охлаждает воду в противоточном теплообменнике без потерь тепла. Найдите температуру воды на выходе tout.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 90 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Энергетический балансСложная
горячая сторонахолодная сторонагликолевая смесь · 130 °C100 °Cвода · 30 °C70 °C · ṁ = ?потери 15%

Горячий теплоноситель (гликолевая смесь) нагревает воду в теплообменнике, который теряет в окружающую среду 15% теплоты, отданной горячим потоком. Найдите необходимый расход воды ṁc.

ṁh = 3 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 130 → 100 °Ct: 30 → 70 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)потери = 15 %
ṁc = kg/s
5.Уравнение состояния идеального газаСредняя
470 g (CO₂)P = 650 kPaT = 95 °CV = ?

Какой объём V занимает 470 g газа (CO₂) при 650 kPa и 95 °C? Считайте газ идеальным.

m = 470 gM = 44,01 g/molP = 650 kPaT = 95 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Уравнение состояния идеального газаСложная
Состояние 1Состояние 2

Постоянное количество газа (N₂) переходит от 200 kPa, 5 L, 30 °C к 500 kPa и 50 °C. Найдите новый объём V2.

P1 = 200 kPaV1 = 5 LT1 = 30 °CP2 = 500 kPaT2 = 50 °C
V2 = L
7.СтехиометрияСредняя
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

10 g Mg и 32 g O2 реагируют по уравнению 2Mg + O2 → 2MgO. Какая масса m вещества MgO может образоваться?

M(Mg) = 24,31M(O2) = 32M(MgO) = 40,3 g/mol
m = g
8.СтехиометрияСложная
m(N2​)n(N2​)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(N2​)× 2/1× M(NH3​)

В реакции N2 + 3H2 → 2NH3 6 g N2 реагирует полностью (остальные реагенты в избытке), и собирают 6,64 g NH3. Найдите выход в процентах Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molфактический: 6,64 g
Y = %

3Растворы

1.Материальный баланс

Ответ: ṁ2 = 2800 kg/h

Материальный баланс в установившемся режиме: вход = выход для общей массы и для каждого компонента. Задачи на смешение объединяют оба.

Балансы

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Выразите ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 400·(50 − 15)/(15 − 10) = 2800 kg/h

Ответ

ṁ2 = 2800 kg/h
2.Материальный баланс

Ответ: W = 2000 kg/h

Ключевой компонент: компонент, который без изменений проходит только в одном потоке (здесь растворённое вещество), напрямую связывает расходы. Остальное даёт общий баланс.

Баланс растворённого вещества

F·xF = P·xP → P = 2500·7/35 = 500 kg/h

Общий баланс

W = F − P = 2500 − 500 = 2000 kg/h

Ответ

W = 2000 kg/h
3.Энергетический баланс

Ответ: tout = 88,37 °C

Энергетический баланс теплообменника: без потерь ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

Теплота, отданная горячим потоком

Q = 1·2,44·(140 − 90) = 122 kW

Теплота, полученная водой

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 122/(0,5·4,18) = 88,37 °C

Ответ

tout = 88,37 °C
4.Энергетический баланс

Ответ: ṁc = 1,647 kg/s

Энергетический баланс с потерями: отданная теплота = полученная теплота + потерянная теплота.

Отданная теплота

Qh = 3·3,6·(130 − 100) = 324 kW

Теплота, дошедшая до воды

Qc = (1 − 0,15)·324 = 275,4 kW

Расход воды

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 275,4/(4,18·40) = 1,647 kg/s

Ответ

ṁc = 1,647 kg/s
5.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V = 50,29 L

Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.

Моли

n = 470/44,01 = 10,68 mol
T = 95 + 273,15 = 368,1 K

Объём

V = nRT/P = 10,68·8,314·368,1/650 = 50,29 L

Ответ

V = 50,29 L
6.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V2 = 2,132 L

Объединённый газовый закон: для постоянного количества идеального газа P1V1/T1 = P2V2/T2.

Абсолютные температуры

T1 = 303,1 K, T2 = 323,1 K

Объединённый газовый закон

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(200/500)·(323,1/303,1) = 2,132 L

Ответ

V2 = 2,132 L
7.Стехиометрия

Ответ: m = 16,58 g

Стехиометрия: уравненное уравнение считает частицы, а не граммы. Переведите массу в моли по n = m/M, используйте коэффициенты уравнения как мольное соотношение, затем вернитесь к массе: m = n·M. Если реагентов два, лимитирующий реагент — тот, что заканчивается первым и определяет количество продукта.

Количество вещества каждого реагента

n(Mg) = 10/24,31 = 0,4114 mol
n(O2) = 32/32 = 1 mol

Лимитирующий реагент

0,4114/2 = 0,2057, 1/1 = 1 → Mg

Масса продукта

n(MgO) = 0,2057·2 = 0,4114 mol
m = 0,4114·40,3 = 16,58 g

Ответ

m = 16,58 g
8.Стехиометрия

Ответ: Y = 91,04 %

Стехиометрия: уравненное уравнение считает частицы, а не граммы. Переведите массу в моли по n = m/M, используйте коэффициенты уравнения как мольное соотношение, затем вернитесь к массе: m = n·M. Если реагентов два, лимитирующий реагент — тот, что заканчивается первым и определяет количество продукта.

Теоретический выход

n(N2) = 6/28,02 = 0,2141 mol
m = 0,2141·2/1·17,03 = 7,293 g

Выход в процентах

Y = 6,64/7,293·100 = 91,04%

Ответ

Y = 91,04%

ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances