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 10% компонента (NaOH)? Знайдіть ṁ2.
ṁ1 = 1000 kg/hx1 = 30 %x2 = 5 %x3 = 10 %
ṁ2 = kg/h
2.Матеріальний балансСкладна
Випарник концентрує розчин (NaOH), випаровуючи чисту воду. Знайдіть кількість випаруваної води W в kg/h.
F = 2100 kg/hxF = 14 %xP = 35 %
W = kg/h
3.Енергетичний балансСередня
Гарячий теплоносій (гліколева суміш) охолоджує воду в протитечійному теплообміннику без втрат тепла. Знайдіть температуру води на виході tout.
ṁh = 3 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 160 → 110 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Енергетичний балансСкладна
Гарячий теплоносій (етанол) нагріває воду в теплообміннику, що втрачає в довкілля 15% теплоти, відданої гарячим потоком. Знайдіть потрібну витрату води ṁc.
ṁh = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 60 °Ct: 15 → 30 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)втрати = 15 %
ṁc = kg/s
5.Рівняння стану ідеального газуСередня
Резервуар об’ємом 5 L містить 180 g газу (He) при 45 °C. Вважайте газ ідеальним і знайдіть тиск P.
m = 180 gM = 4,003 g/molV = 5 LT = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Рівняння стану ідеального газуСкладна
Стала кількість газу (Ar) переходить від 350 kPa, 20 L, 40 °C до 200 kPa і 220 °C. Знайдіть новий об’єм V2.
P1 = 350 kPaV1 = 20 LT1 = 40 °CP2 = 200 kPaT2 = 220 °C
V2 = L
7.СтехіометріяСередня
4 g Na і 10 g Cl2 реагують за рівнянням 2Na + Cl2 → 2NaCl. Яка маса m NaCl може утворитися?
M(Na) = 22,99M(Cl2) = 70,9M(NaCl) = 58,44 g/mol
m = g
8.СтехіометріяСкладна
У реакції C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 8 g C6H12O6 реагує повністю (інші реагенти в надлишку) і збирають 3,72 g C2H5OH. Знайдіть вихід у відсотках Y.
M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(C2H5OH) = 46,07 g/molфактичний: 3,72 g
Y = %
3Розчини
1.Матеріальний баланс
Відповідь: ṁ2 = 4000 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
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
Виразіть ṁ2
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 1000·(30 − 10)/(10 − 5) = 4000 kg/h
Відповідь
ṁ2 = 4000 kg/h
2.Матеріальний баланс
Відповідь: W = 1260 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 = 2100·14/35 = 840 kg/h
Загальний баланс
W = F − P = 2100 − 840 = 1260 kg/h
Відповідь
W = 1260 kg/h
3.Енергетичний баланс
Відповідь: tout = 63,06 °C
Енергетичний баланс теплообмінника: без втрат ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Теплота, віддана гарячим потоком
Q = 3·3,6·(160 − 110) = 540 kW
Теплота, отримана водою
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 540/(3·4,18) = 63,06 °C
Відповідь
tout = 63,06 °C
4.Енергетичний баланс
Відповідь: ṁc = 2,315 kg/s
Енергетичний баланс із втратами: віддана теплота = отримана теплота + втрачена теплота.
Віддана теплота
Qh = 1·2,44·(130 − 60) = 170,8 kW
Теплота, що доходить до води
Qc = (1 − 0,15)·170,8 = 145,2 kW
Витрата води
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 145,2/(4,18·15) = 2,315 kg/s
Відповідь
ṁc = 2,315 kg/s
5.Рівняння стану ідеального газу
Відповідь: P = 23788 kPa
Рівняння стану ідеального газу: PV = nRT, де n = m/M.
Молі
n = m/M = 180/4,003 = 44,97 mol
T = 45 + 273,15 = 318,1 K
Тиск
P = nRT/V = 44,97·8,314·318,1/0,005 = 23788 kPa
Відповідь
P = 23788 kPa
6.Рівняння стану ідеального газу
Відповідь: V2 = 55,12 L
Об’єднаний газовий закон: для сталої кількості ідеального газу P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютні температури
T1 = 313,1 K, T2 = 493,1 K
Об’єднаний газовий закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(350/200)·(493,1/313,1) = 55,12 L
Відповідь
V2 = 55,12 L
7.Стехіометрія
Відповідь: m = 10,17 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(Na) = 4/22,99 = 0,174 mol
n(Cl2) = 10/70,9 = 0,141 mol
Лімітуючий реагент
0,174/2 = 0,08699, 0,141/1 = 0,141 → Na
Маса продукту
n(NaCl) = 0,08699·2 = 0,174 mol
m = 0,174·58,44 = 10,17 g
Відповідь
m = 10,17 g
8.Стехіометрія
Відповідь: Y = 90,92 %
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(C6H12O6) = 8/180,16 = 0,0444 mol
m = 0,0444·2/1·46,07 = 4,091 g
Вихід у відсотках
Y = 3,72/4,091·100 = 90,92%
Відповідь
Y = 90,92%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances