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 (цукор)? Знайдіть ṁ2.
ṁ1 = 200 kg/hx1 = 40 %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 = 3600 kg/hxF = 18 %xP = 50 %
W = kg/h
3.Енергетичний балансСередня
Гарячий теплоносій (етанол) охолоджує воду в протитечійному теплообміннику без втрат тепла. Знайдіть температуру води на виході tout.
ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 70 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °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: 170 → 80 °Ct: 20 → 70 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)втрати = 15 %
ṁc = kg/s
5.Рівняння стану ідеального газуСередня
Резервуар об’ємом 10 L містить 460 g газу (O₂) при 15 °C. Вважайте газ ідеальним і знайдіть тиск P.
m = 460 gM = 32 g/molV = 10 LT = 15 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Рівняння стану ідеального газуСкладна
Знайдіть густину ρ газу (CO₂) при 750 kPa і 10 °C, вважаючи його ідеальним.
M = 44,01 g/molP = 750 kPaT = 10 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.СтехіометріяСередня
20 g Al і 24 g Cl2 реагують за рівнянням 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3. Яка маса m AlCl3 може утворитися?
M(Al) = 26,98M(Cl2) = 70,9M(AlCl3) = 133,33 g/mol
m = g
8.СтехіометріяСкладна
У реакції C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 20 g C6H12O6 реагує повністю (інші реагенти в надлишку) і збирають 5,63 g C2H5OH. Знайдіть вихід у відсотках Y.
M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(C2H5OH) = 46,07 g/molфактичний: 5,63 g
Y = %
3Розчини
1.Матеріальний баланс
Відповідь: ṁ2 = 1200 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) = 200·(40 − 10)/(10 − 5) = 1200 kg/h
Відповідь
ṁ2 = 1200 kg/h
2.Матеріальний баланс
Відповідь: W = 2304 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 = 3600·18/50 = 1296 kg/h
Загальний баланс
W = F − P = 3600 − 1296 = 2304 kg/h
Відповідь
W = 2304 kg/h
3.Енергетичний баланс
Відповідь: tout = 60,02 °C
Енергетичний баланс теплообмінника: без втрат ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Теплота, віддана гарячим потоком
Q = 0,5·2,44·(130 − 70) = 73,2 kW
Теплота, отримана водою
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 73,2/(0,5·4,18) = 60,02 °C
Відповідь
tout = 60,02 °C
4.Енергетичний баланс
Відповідь: ṁc = 0,8931 kg/s
Енергетичний баланс із втратами: віддана теплота = отримана теплота + втрачена теплота.
Віддана теплота
Qh = 1·2,44·(170 − 80) = 219,6 kW
Теплота, що доходить до води
Qc = (1 − 0,15)·219,6 = 186,7 kW
Витрата води
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 186,7/(4,18·50) = 0,8931 kg/s
Відповідь
ṁc = 0,8931 kg/s
5.Рівняння стану ідеального газу
Відповідь: P = 3444 kPa
Рівняння стану ідеального газу: PV = nRT, де n = m/M.
Молі
n = m/M = 460/32 = 14,38 mol
T = 15 + 273,15 = 288,1 K
Тиск
P = nRT/V = 14,38·8,314·288,1/0,01 = 3444 kPa
Відповідь
P = 3444 kPa
6.Рівняння стану ідеального газу
Відповідь: ρ = 14,02 kg/m³
Густина ідеального газу: ρ = PM/(RT).
Перетворіть газовий закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 10 + 273,15 = 283,1 K
Густина
ρ = 750·44,01/(8,314·283,1) = 14,02 kg/m³
Відповідь
ρ = 14,02 kg/m³
7.Стехіометрія
Відповідь: m = 30,09 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(Al) = 20/26,98 = 0,7413 mol
n(Cl2) = 24/70,9 = 0,3385 mol
Лімітуючий реагент
0,7413/2 = 0,3706, 0,3385/3 = 0,1128 → Cl2
Маса продукту
n(AlCl3) = 0,1128·2 = 0,2257 mol
m = 0,2257·133,33 = 30,09 g
Відповідь
m = 30,09 g
8.Стехіометрія
Відповідь: Y = 55,04 %
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) = 20/180,16 = 0,111 mol
m = 0,111·2/1·46,07 = 10,23 g
Вихід у відсотках
Y = 5,63/10,23·100 = 55,04%
Відповідь
Y = 55,04%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances