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
Материальные и энергетические балансы: шпаргалка-пакет
Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (8) с полными решениями в конце.
1Формулы и методы
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
- Запишите и уравняйте химическое уравнение.
- Переведите данную массу в моли: n = m/M.
- Используйте коэффициенты как мольное отношение, чтобы найти количество нужного вещества в молях.
- Переведите обратно в массу по m = n·M. Если реагентов два, сначала найдите лимитирующий реагент.
2Тренировочные задачи
1.Материальный балансСредняя
Сколько потока 2 нужно каждый час добавлять к потоку 1, чтобы смесь содержала 30% компонента (соль)? Найдите ṁ2.
ṁ1 = 700 kg/hx1 = 20 %x2 = 45 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Материальный балансСложная
Выпарной аппарат концентрирует раствор (NaOH), выпаривая чистую воду. Найдите расход продукта P в kg/h.
F = 3800 kg/hxF = 8 %xP = 30 %
P = kg/h
3.Энергетический балансСредняя
Горячий теплоноситель (лёгкое масло) охлаждает воду в противоточном теплообменнике без потерь тепла. Найдите температуру воды на выходе tout.
ṁh = 2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Энергетический балансСложная
Горячий теплоноситель (лёгкое масло) нагревает воду в теплообменнике, который теряет в окружающую среду 5% теплоты, отданной горячим потоком. Найдите необходимый расход воды ṁc.
ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 70 °Ct: 10 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)потери = 5 %
ṁc = kg/s
5.Уравнение состояния идеального газаСредняя
Резервуар объёмом 50 L содержит 110 g газа (CO₂) при 25 °C. Считайте газ идеальным и найдите давление P.
m = 110 gM = 44,01 g/molV = 50 LT = 25 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Уравнение состояния идеального газаСложная
Постоянное количество газа (O₂) переходит от 250 kPa, 20 L, 15 °C к 700 kPa и 90 °C. Найдите новый объём V2.
P1 = 250 kPaV1 = 20 LT1 = 15 °CP2 = 700 kPaT2 = 90 °C
V2 = L
7.СтехиометрияСредняя
12 g Na и 40 g Cl2 реагируют по уравнению 2Na + Cl2 → 2NaCl. Какая масса m вещества NaCl может образоваться?
M(Na) = 22,99M(Cl2) = 70,9M(NaCl) = 58,44 g/mol
m = g
8.СтехиометрияСложная
В реакции 2H2 + O2 → 2H2O 30 g H2 реагирует полностью (остальные реагенты в избытке), и собирают 227,9 g H2O. Найдите выход в процентах Y.
M(H2) = 2,016 g/molM(H2O) = 18,02 g/molфактический: 227,9 g
Y = %
3Растворы
1.Материальный баланс
Ответ: ṁ2 = 466,7 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) = 700·(20 − 30)/(30 − 45) = 466,7 kg/h
Ответ
ṁ2 = 466,7 kg/h
2.Материальный баланс
Ответ: P = 1013 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 = 3800·8/30 = 1013 kg/h
Ответ
P = 1013 kg/h
3.Энергетический баланс
Ответ: tout = 70,24 °C
Энергетический баланс теплообменника: без потерь ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Теплота, отданная горячим потоком
Q = 2·2,1·(120 − 70) = 210 kW
Теплота, полученная водой
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 210/(1·4,18) = 70,24 °C
Ответ
tout = 70,24 °C
4.Энергетический баланс
Ответ: ṁc = 2,019 kg/s
Энергетический баланс с потерями: отданная теплота = полученная теплота + потерянная теплота.
Отданная теплота
Qh = 2,5·2,1·(180 − 70) = 577,5 kW
Теплота, дошедшая до воды
Qc = (1 − 0,05)·577,5 = 548,6 kW
Расход воды
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 548,6/(4,18·65) = 2,019 kg/s
Ответ
ṁc = 2,019 kg/s
5.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: P = 123,9 kPa
Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.
Моли
n = m/M = 110/44,01 = 2,499 mol
T = 25 + 273,15 = 298,1 K
Давление
P = nRT/V = 2,499·8,314·298,1/0,05 = 123,9 kPa
Ответ
P = 123,9 kPa
6.Уравнение состояния идеального газа
Ответ: V2 = 9,002 L
Объединённый газовый закон: для постоянного количества идеального газа P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютные температуры
T1 = 288,1 K, T2 = 363,1 K
Объединённый газовый закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(250/700)·(363,1/288,1) = 9,002 L
Ответ
V2 = 9,002 L
7.Стехиометрия
Ответ: m = 30,5 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(Na) = 12/22,99 = 0,522 mol
n(Cl2) = 40/70,9 = 0,5642 mol
Лимитирующий реагент
0,522/2 = 0,261, 0,5642/1 = 0,5642 → Na
Масса продукта
n(NaCl) = 0,261·2 = 0,522 mol
m = 0,522·58,44 = 30,5 g
Ответ
m = 30,5 g
8.Стехиометрия
Ответ: Y = 85 %
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(H2) = 30/2,016 = 14,88 mol
m = 14,88·2/2·18,02 = 268,2 g
Выход в процентах
Y = 227,9/268,2·100 = 85%
Ответ
Y = 85%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances