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 1750 kg/h · 45% сольПоток 2ṁ₂ = ? · 10% сольПродукт40% соль

Сколько потока 2 нужно каждый час добавлять к потоку 1, чтобы смесь содержала 40% компонента (соль)? Найдите ṁ2.

ṁ1 = 750 kg/hx1 = 45 %x2 = 10 %x3 = 40 %
ṁ2 = kg/h
2.Материальный балансСложная
Выпарной аппаратПитание F4300 kg/h · 7% NaOHПродукт PP = ? · 55%Пар W (чистая вода)0% NaOH

Выпарной аппарат концентрирует раствор (NaOH), выпаривая чистую воду. Найдите расход продукта P в kg/h.

F = 4300 kg/hxF = 7 %xP = 55 %
P = kg/h
3.Энергетический балансСредняя
горячая сторонахолодная сторонаэтанол · 160 °C100 °Cвода · 25 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 100 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Энергетический балансСложная
горячая сторонахолодная стороналёгкое масло · 160 °C70 °Cвода · 10 °C60 °C · ṁ = ?потери 5%

Горячий теплоноситель (лёгкое масло) нагревает воду в теплообменнике, который теряет в окружающую среду 5% теплоты, отданной горячим потоком. Найдите необходимый расход воды ṁc.

ṁh = 3 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 70 °Ct: 10 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)потери = 5 %
ṁc = kg/s
5.Уравнение состояния идеального газаСредняя
430 g (He)P = 700 kPaT = 90 °CV = ?

Какой объём V занимает 430 g газа (He) при 700 kPa и 90 °C? Считайте газ идеальным.

m = 430 gM = 4,003 g/molP = 700 kPaT = 90 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Уравнение состояния идеального газаСложная
CO₂, M = 44,01 g/molP = 650 kPaT = 50 °Cρ = ?

Найдите плотность ρ газа (CO₂) при 650 kPa и 50 °C, считая его идеальным.

M = 44,01 g/molP = 650 kPaT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.СтехиометрияСредняя
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 4/ν× M(H2​O)

8 g C3H8 и 24 g O2 реагируют по уравнению C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. Какая масса m вещества H2O может образоваться?

M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.СтехиометрияСложная
m(C3​H8​)n(C3​H8​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(C3​H8​)× 4/1× M(H2​O)

В реакции C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O 10 g C3H8 реагирует полностью (остальные реагенты в избытке), и собирают 14,87 g H2O. Найдите выход в процентах Y.

M(C3H8) = 44,1 g/molM(H2O) = 18,02 g/molфактический: 14,87 g
Y = %

3Растворы

1.Материальный баланс

Ответ: ṁ2 = 125 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
соль: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Выразите ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 750·(45 − 40)/(40 − 10) = 125 kg/h

Ответ

ṁ2 = 125 kg/h
2.Материальный баланс

Ответ: P = 547,3 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 = 4300·7/55 = 547,3 kg/h

Ответ

P = 547,3 kg/h
3.Энергетический баланс

Ответ: tout = 77,54 °C

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

Теплота, отданная горячим потоком

Q = 1,5·2,44·(160 − 100) = 219,6 kW

Теплота, полученная водой

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 219,6/(1·4,18) = 77,54 °C

Ответ

tout = 77,54 °C
4.Энергетический баланс

Ответ: ṁc = 2,577 kg/s

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

Отданная теплота

Qh = 3·2,1·(160 − 70) = 567 kW

Теплота, дошедшая до воды

Qc = (1 − 0,05)·567 = 538,7 kW

Расход воды

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 538,7/(4,18·50) = 2,577 kg/s

Ответ

ṁc = 2,577 kg/s
5.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V = 463,3 L

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

Моли

n = 430/4,003 = 107,4 mol
T = 90 + 273,15 = 363,1 K

Объём

V = nRT/P = 107,4·8,314·363,1/700 = 463,3 L

Ответ

V = 463,3 L
6.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: ρ = 10,65 kg/m³

Плотность идеального газа: ρ = PM/(RT).

Преобразуйте газовый закон

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Плотность

ρ = 650·44,01/(8,314·323,1) = 10,65 kg/m³

Ответ

ρ = 10,65 kg/m³
7.Стехиометрия

Ответ: m = 10,81 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(C3H8) = 8/44,1 = 0,1814 mol
n(O2) = 24/32 = 0,75 mol

Лимитирующий реагент

0,1814/1 = 0,1814, 0,75/5 = 0,15 → O2

Масса продукта

n(H2O) = 0,15·4 = 0,6 mol
m = 0,6·18,02 = 10,81 g

Ответ

m = 10,81 g
8.Стехиометрия

Ответ: Y = 90,98 %

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(C3H8) = 10/44,1 = 0,2268 mol
m = 0,2268·4/1·18,02 = 16,34 g

Выход в процентах

Y = 14,87/16,34·100 = 90,98%

Ответ

Y = 90,98%

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