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 · 50% сахарПоток 2ṁ₂ = ? · 20% сахарПродукт25% сахар

Сколько потока 2 нужно каждый час добавлять к потоку 1, чтобы смесь содержала 25% компонента (сахар)? Найдите ṁ2.

ṁ1 = 750 kg/hx1 = 50 %x2 = 20 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Материальный балансСложная
Выпарной аппаратПитание F2100 kg/h · 20% NaOHПродукт PP = ? · 60%Пар W (чистая вода)0% NaOH

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

F = 2100 kg/hxF = 20 %xP = 60 %
P = kg/h
3.Энергетический балансСредняя
горячая сторонахолодная сторонагликолевая смесь · 120 °C80 °Cвода · 25 °Ct = ? °C

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

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 120 → 80 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Энергетический балансСложная
горячая сторонахолодная сторонаэтанол · 180 °C130 °Cвода · 20 °C85 °C · ṁ = ?потери 15%

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

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 130 °Ct: 20 → 85 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)потери = 15 %
ṁc = kg/s
5.Уравнение состояния идеального газаСредняя
70 g (He)V = 30 LT = 95 °CP = ?

Резервуар объёмом 30 L содержит 70 g газа (He) при 95 °C. Считайте газ идеальным и найдите давление P.

m = 70 gM = 4,003 g/molV = 30 LT = 95 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Уравнение состояния идеального газаСложная
O₂, M = 32 g/molP = 850 kPaT = 40 °Cρ = ?

Найдите плотность ρ газа (O₂) при 850 kPa и 40 °C, считая его идеальным.

M = 32 g/molP = 850 kPaT = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.СтехиометрияСредняя
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

4 g Na и 10 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
m(Fe2​O3​)n(Fe2​O3​)n(Fe)m(Fe)÷ M(Fe2​O3​)× 2/1× M(Fe)

В реакции Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 20 g Fe2O3 реагирует полностью (остальные реагенты в избытке), и собирают 9,79 g Fe. Найдите выход в процентах Y.

M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(Fe) = 55,85 g/molфактический: 9,79 g
Y = %

3Растворы

1.Материальный баланс

Ответ: ṁ2 = 3750 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
сахар: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Выразите ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 750·(50 − 25)/(25 − 20) = 3750 kg/h

Ответ

ṁ2 = 3750 kg/h
2.Материальный баланс

Ответ: P = 700 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 = 2100·20/60 = 700 kg/h

Ответ

P = 700 kg/h
3.Энергетический баланс

Ответ: tout = 33,61 °C

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

Теплота, отданная горячим потоком

Q = 0,5·3,6·(120 − 80) = 72 kW

Теплота, полученная водой

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 72/(2·4,18) = 33,61 °C

Ответ

tout = 33,61 °C
4.Энергетический баланс

Ответ: ṁc = 0,1908 kg/s

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

Отданная теплота

Qh = 0,5·2,44·(180 − 130) = 61 kW

Теплота, дошедшая до воды

Qc = (1 − 0,15)·61 = 51,85 kW

Расход воды

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 51,85/(4,18·65) = 0,1908 kg/s

Ответ

ṁc = 0,1908 kg/s
5.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: P = 1784 kPa

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

Моли

n = m/M = 70/4,003 = 17,49 mol
T = 95 + 273,15 = 368,1 K

Давление

P = nRT/V = 17,49·8,314·368,1/0,03 = 1784 kPa

Ответ

P = 1784 kPa
6.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: ρ = 10,45 kg/m³

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

Преобразуйте газовый закон

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 40 + 273,15 = 313,1 K

Плотность

ρ = 850·32/(8,314·313,1) = 10,45 kg/m³

Ответ

ρ = 10,45 kg/m³
7.Стехиометрия

Ответ: m = 10,17 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) = 4/22,99 = 0,174 mol
n(Cl2) = 10/70,9 = 0,141 mol

Лимитирующий реагент

0,174/2 = 0,08699, 0,141/1 = 0,141 → Na

Масса продукта

n(NaCl) = 0,08699·2 = 0,174 mol
m = 0,174·58,44 = 10,17 g

Ответ

m = 10,17 g
8.Стехиометрия

Ответ: Y = 69,98 %

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(Fe2O3) = 20/159,69 = 0,1252 mol
m = 0,1252·2/1·55,85 = 13,99 g

Выход в процентах

Y = 9,79/13,99·100 = 69,98%

Ответ

Y = 69,98%

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