Матеріальний баланс
- Усталений режим
- вхід = вихід
- Загальний баланс
- ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
- Баланс компонента
- ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
- Випарник
- F·xF = P·xP, W = F − P
Матеріальні та енергетичні баланси: шпаргалка-підсумок
Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 8 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.
1Формули та методи
Енергетичний баланс
- Явна теплота
- Q = ṁ·cp·ΔT
- Прихована теплота
- Q = ṁ·hfg
- Змішування
- ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
- Вода
- cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)
Рівняння стану ідеального газу
- Рівняння стану ідеального газу
- pV = nRT
- Газова стала
- R = 8,314 J/(mol·K)
- Об’єднаний газовий закон
- p1V1/T1 = p2V2/T2
- Молі
- n = m/M
- Температура
- T[K] = T[°C] + 273,15
Стехіометрія
- Молі
- n = m/M
- Концентрація
- c = n/V
- Мольне співвідношення
- використовуйте стехіометричні коефіцієнти рівняння реакції
- Лімітуючий реагент
- той, що закінчується першим
- Вихід у відсотках
- фактичний / теоретичний × 100%
Метод
- Запишіть і зрівняйте хімічне рівняння.
- Переведіть дану масу в моль: n = m/M.
- Використайте коефіцієнти як мольне співвідношення, щоб знайти кількість молів потрібної речовини.
- Поверніться до маси за m = n·M. Якщо реагентів два, спершу знайдіть лімітуючий реагент.
2Задачі для практики
1.Матеріальний балансСередня
Скільки потоку 2 треба щогодини додавати до потоку 1, щоб суміш містила 15% компонента (сіль)? Знайдіть ṁ2.
ṁ1 = 500 kg/hx1 = 40 %x2 = 10 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Матеріальний балансСкладна
Випарник концентрує розчин (цукор), випаровуючи чисту воду. Знайдіть кількість випаруваної води W в kg/h.
F = 900 kg/hxF = 12 %xP = 60 %
W = kg/h
3.Енергетичний балансСередня
Гарячий теплоносій (етанол) охолоджує воду в протитечійному теплообміннику без втрат тепла. Знайдіть температуру води на виході tout.
ṁh = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 90 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Енергетичний балансСкладна
Гарячий теплоносій (гліколева суміш) нагріває воду в теплообміннику, що втрачає в довкілля 10% теплоти, відданої гарячим потоком. Знайдіть потрібну витрату води ṁc.
ṁh = 3 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 120 → 90 °Ct: 15 → 30 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)втрати = 10 %
ṁc = kg/s
5.Рівняння стану ідеального газуСередня
Резервуар об’ємом 30 L містить 200 g газу (Ar) при 35 °C. Вважайте газ ідеальним і знайдіть тиск P.
m = 200 gM = 39,95 g/molV = 30 LT = 35 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Рівняння стану ідеального газуСкладна
Стала кількість газу (N₂) переходить від 150 kPa, 20 L, 10 °C до 150 kPa і 120 °C. Знайдіть новий об’єм V2.
P1 = 150 kPaV1 = 20 LT1 = 10 °CP2 = 150 kPaT2 = 120 °C
V2 = L
7.СтехіометріяСередня
24 g N2 і 80 g H2 реагують за рівнянням N2 + 3H2 → 2NH3. Яка маса m NH3 може утворитися?
M(N2) = 28,02M(H2) = 2,016M(NH3) = 17,03 g/mol
m = g
8.СтехіометріяСкладна
У реакції CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O 4 g CH4 реагує повністю (інші реагенти в надлишку) і збирають 7,64 g H2O. Знайдіть вихід у відсотках Y.
M(CH4) = 16,04 g/molM(H2O) = 18,02 g/molфактичний: 7,64 g
Y = %
3Розчини
1.Матеріальний баланс
Відповідь: ṁ2 = 2500 kg/h
Матеріальний баланс в усталеному режимі: вхід = вихід для загальної маси й для кожного компонента. Задачі на змішування поєднують обидва.
Баланси
Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
сіль: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
Виразіть ṁ2
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 500·(40 − 15)/(15 − 10) = 2500 kg/h
Відповідь
ṁ2 = 2500 kg/h
2.Матеріальний баланс
Відповідь: W = 720 kg/h
Ключовий компонент: компонент, що без змін проходить лише в одному потоці (тут розчинена речовина), напряму пов’язує витрати. Решту дає загальний баланс.
Баланс розчиненої речовини
F·xF = P·xP → P = 900·12/60 = 180 kg/h
Загальний баланс
W = F − P = 900 − 180 = 720 kg/h
Відповідь
W = 720 kg/h
3.Енергетичний баланс
Відповідь: tout = 29,73 °C
Енергетичний баланс теплообмінника: без втрат ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Теплота, віддана гарячим потоком
Q = 1·2,44·(140 − 90) = 122 kW
Теплота, отримана водою
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 122/(3·4,18) = 29,73 °C
Відповідь
tout = 29,73 °C
4.Енергетичний баланс
Відповідь: ṁc = 4,651 kg/s
Енергетичний баланс із втратами: віддана теплота = отримана теплота + втрачена теплота.
Віддана теплота
Qh = 3·3,6·(120 − 90) = 324 kW
Теплота, що доходить до води
Qc = (1 − 0,1)·324 = 291,6 kW
Витрата води
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 291,6/(4,18·15) = 4,651 kg/s
Відповідь
ṁc = 4,651 kg/s
5.Рівняння стану ідеального газу
Відповідь: P = 427,5 kPa
Рівняння стану ідеального газу: PV = nRT, де n = m/M.
Молі
n = m/M = 200/39,95 = 5,006 mol
T = 35 + 273,15 = 308,1 K
Тиск
P = nRT/V = 5,006·8,314·308,1/0,03 = 427,5 kPa
Відповідь
P = 427,5 kPa
6.Рівняння стану ідеального газу
Відповідь: V2 = 27,77 L
Об’єднаний газовий закон: для сталої кількості ідеального газу P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютні температури
T1 = 283,1 K, T2 = 393,1 K
Об’єднаний газовий закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(150/150)·(393,1/283,1) = 27,77 L
Відповідь
V2 = 27,77 L
7.Стехіометрія
Відповідь: m = 29,17 g
Стехіометрія: зрівняне рівняння рахує частинки, а не грами. Переведіть масу в моль за n = m/M, використайте коефіцієнти рівняння як мольне співвідношення, а потім поверніться до маси: m = n·M. Якщо реагентів два, лімітуючий реагент — той, що закінчується першим і визначає кількість продукту.
Кількість речовини кожного реагенту
n(N2) = 24/28,02 = 0,8565 mol
n(H2) = 80/2,016 = 39,68 mol
Лімітуючий реагент
0,8565/1 = 0,8565, 39,68/3 = 13,23 → N2
Маса продукту
n(NH3) = 0,8565·2 = 1,713 mol
m = 1,713·17,03 = 29,17 g
Відповідь
m = 29,17 g
8.Стехіометрія
Відповідь: Y = 85,01 %
Стехіометрія: зрівняне рівняння рахує частинки, а не грами. Переведіть масу в моль за n = m/M, використайте коефіцієнти рівняння як мольне співвідношення, а потім поверніться до маси: m = n·M. Якщо реагентів два, лімітуючий реагент — той, що закінчується першим і визначає кількість продукту.
Теоретичний вихід
n(CH4) = 4/16,04 = 0,2494 mol
m = 0,2494·2/1·18,02 = 8,988 g
Вихід у відсотках
Y = 7,64/8,988·100 = 85,01%
Відповідь
Y = 85,01%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances