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 20% компонента (цукор)? Знайдіть ṁ2.
ṁ1 = 1000 kg/hx1 = 5 %x2 = 30 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Матеріальний балансСкладна
Випарник концентрує розчин (NaOH), випаровуючи чисту воду. Знайдіть кількість випаруваної води W в kg/h.
F = 2200 kg/hxF = 14 %xP = 65 %
W = kg/h
3.Енергетичний балансСередня
Гарячий теплоносій (легка олива) охолоджує воду в протитечійному теплообміннику без втрат тепла. Знайдіть температуру води на виході tout.
ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Енергетичний балансСкладна
Гарячий теплоносій (етанол) нагріває воду в теплообміннику, що втрачає в довкілля 10% теплоти, відданої гарячим потоком. Знайдіть потрібну витрату води ṁc.
ṁh = 2 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 60 °Ct: 20 → 70 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)втрати = 10 %
ṁc = kg/s
5.Рівняння стану ідеального газуСередня
Резервуар об’ємом 10 L містить 90 g газу (He) при 95 °C. Вважайте газ ідеальним і знайдіть тиск P.
m = 90 gM = 4,003 g/molV = 10 LT = 95 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Рівняння стану ідеального газуСкладна
Стала кількість газу (N₂) переходить від 250 kPa, 2 L, 15 °C до 750 kPa і 200 °C. Знайдіть новий об’єм V2.
P1 = 250 kPaV1 = 2 LT1 = 15 °CP2 = 750 kPaT2 = 200 °C
V2 = L
7.СтехіометріяСередня
16 g C3H8 і 10 g O2 реагують за рівнянням C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. Яка маса m H2O може утворитися?
M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.СтехіометріяСкладна
У реакції N2 + 3H2 → 2NH3 12 g N2 реагує повністю (інші реагенти в надлишку) і збирають 12,4 g NH3. Знайдіть вихід у відсотках Y.
M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molфактичний: 12,4 g
Y = %
3Розчини
1.Матеріальний баланс
Відповідь: ṁ2 = 1500 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
цукор: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
Виразіть ṁ2
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 1000·(5 − 20)/(20 − 30) = 1500 kg/h
Відповідь
ṁ2 = 1500 kg/h
2.Матеріальний баланс
Відповідь: W = 1726 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 = 2200·14/65 = 473,8 kg/h
Загальний баланс
W = F − P = 2200 − 473,8 = 1726 kg/h
Відповідь
W = 1726 kg/h
3.Енергетичний баланс
Відповідь: tout = 16,28 °C
Енергетичний баланс теплообмінника: без втрат ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Теплота, віддана гарячим потоком
Q = 0,5·2,1·(120 − 70) = 52,5 kW
Теплота, отримана водою
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 52,5/(2·4,18) = 16,28 °C
Відповідь
tout = 16,28 °C
4.Енергетичний баланс
Відповідь: ṁc = 2,312 kg/s
Енергетичний баланс із втратами: віддана теплота = отримана теплота + втрачена теплота.
Віддана теплота
Qh = 2·2,44·(170 − 60) = 536,8 kW
Теплота, що доходить до води
Qc = (1 − 0,1)·536,8 = 483,1 kW
Витрата води
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 483,1/(4,18·50) = 2,312 kg/s
Відповідь
ṁc = 2,312 kg/s
5.Рівняння стану ідеального газу
Відповідь: P = 6882 kPa
Рівняння стану ідеального газу: PV = nRT, де n = m/M.
Молі
n = m/M = 90/4,003 = 22,48 mol
T = 95 + 273,15 = 368,1 K
Тиск
P = nRT/V = 22,48·8,314·368,1/0,01 = 6882 kPa
Відповідь
P = 6882 kPa
6.Рівняння стану ідеального газу
Відповідь: V2 = 1,095 L
Об’єднаний газовий закон: для сталої кількості ідеального газу P1V1/T1 = P2V2/T2.
Абсолютні температури
T1 = 288,1 K, T2 = 473,1 K
Об’єднаний газовий закон
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(250/750)·(473,1/288,1) = 1,095 L
Відповідь
V2 = 1,095 L
7.Стехіометрія
Відповідь: m = 4,505 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(C3H8) = 16/44,1 = 0,3628 mol
n(O2) = 10/32 = 0,3125 mol
Лімітуючий реагент
0,3628/1 = 0,3628, 0,3125/5 = 0,0625 → O2
Маса продукту
n(H2O) = 0,0625·4 = 0,25 mol
m = 0,25·18,02 = 4,505 g
Відповідь
m = 4,505 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(N2) = 12/28,02 = 0,4283 mol
m = 0,4283·2/1·17,03 = 14,59 g
Вихід у відсотках
Y = 12,4/14,59·100 = 85,01%
Відповідь
Y = 85,01%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances