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 1600 kg/h · 10% NaOHПоток 2ṁ₂ = ? · 35% NaOHПродукт30% NaOH

Сколько потока 2 нужно каждый час добавлять к потоку 1, чтобы смесь содержала 30% компонента (NaOH)? Найдите ṁ2.

ṁ1 = 600 kg/hx1 = 10 %x2 = 35 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Материальный балансСложная
Выпарной аппаратПитание F2400 kg/h · 11% NaOHПродукт P30% NaOHПар W (чистая вода)W = ? kg/h

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

F = 2400 kg/hxF = 11 %xP = 30 %
W = kg/h
3.Энергетический балансСредняя
горячая сторонахолодная стороналёгкое масло · 180 °C80 °Cвода · 15 °Ct = ? °C

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

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 80 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Энергетический балансСложная
горячая сторонахолодная сторонаэтанол · 170 °C130 °Cвода · 15 °C80 °C · ṁ = ?потери 5%

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

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 130 °Ct: 15 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)потери = 5 %
ṁc = kg/s
5.Уравнение состояния идеального газаСредняя
180 g (CH₄)V = 30 LT = 20 °CP = ?

Резервуар объёмом 30 L содержит 180 g газа (CH₄) при 20 °C. Считайте газ идеальным и найдите давление P.

m = 180 gM = 16,04 g/molV = 30 LT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Уравнение состояния идеального газаСложная
Состояние 1Состояние 2

Постоянное количество газа (CH₄) переходит от 150 kPa, 20 L, 10 °C к 750 kPa и 200 °C. Найдите новый объём V2.

P1 = 150 kPaV1 = 20 LT1 = 10 °CP2 = 750 kPaT2 = 200 °C
V2 = L
7.СтехиометрияСредняя
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

24 g CH4 и 16 g O2 реагируют по уравнению CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Какая масса m вещества H2O может образоваться?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.СтехиометрияСложная
m(CH4​)n(CH4​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(CH4​)× 1/1× M(CO2​)

В реакции CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O 6 g CH4 реагирует полностью (остальные реагенты в избытке), и собирают 12,35 g CO2. Найдите выход в процентах Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(CO2) = 44,01 g/molфактический: 12,35 g
Y = %

3Растворы

1.Материальный баланс

Ответ: ṁ2 = 2400 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) = 600·(10 − 30)/(30 − 35) = 2400 kg/h

Ответ

ṁ2 = 2400 kg/h
2.Материальный баланс

Ответ: W = 1520 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 = 2400·11/30 = 880 kg/h

Общий баланс

W = F − P = 2400 − 880 = 1520 kg/h

Ответ

W = 1520 kg/h
3.Энергетический баланс

Ответ: tout = 23,37 °C

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

Теплота, отданная горячим потоком

Q = 0,5·2,1·(180 − 80) = 105 kW

Теплота, полученная водой

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 105/(3·4,18) = 23,37 °C

Ответ

tout = 23,37 °C
4.Энергетический баланс

Ответ: ṁc = 0,6825 kg/s

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

Отданная теплота

Qh = 2·2,44·(170 − 130) = 195,2 kW

Теплота, дошедшая до воды

Qc = (1 − 0,05)·195,2 = 185,4 kW

Расход воды

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 185,4/(4,18·65) = 0,6825 kg/s

Ответ

ṁc = 0,6825 kg/s
5.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: P = 911,7 kPa

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

Моли

n = m/M = 180/16,04 = 11,22 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K

Давление

P = nRT/V = 11,22·8,314·293,1/0,03 = 911,7 kPa

Ответ

P = 911,7 kPa
6.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V2 = 6,684 L

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

Абсолютные температуры

T1 = 283,1 K, T2 = 473,1 K

Объединённый газовый закон

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(150/750)·(473,1/283,1) = 6,684 L

Ответ

V2 = 6,684 L
7.Стехиометрия

Ответ: m = 9,01 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(CH4) = 24/16,04 = 1,496 mol
n(O2) = 16/32 = 0,5 mol

Лимитирующий реагент

1,496/1 = 1,496, 0,5/2 = 0,25 → O2

Масса продукта

n(H2O) = 0,25·2 = 0,5 mol
m = 0,5·18,02 = 9,01 g

Ответ

m = 9,01 g
8.Стехиометрия

Ответ: Y = 75,02 %

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(CH4) = 6/16,04 = 0,3741 mol
m = 0,3741·1/1·44,01 = 16,46 g

Выход в процентах

Y = 12,35/16,46·100 = 75,02%

Ответ

Y = 75,02%

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