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 35% компонента (цукор)? Знайдіть ṁ2.
ṁ1 = 1000 kg/hx1 = 5 %x2 = 50 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.Матеріальний балансСкладна
Випарник концентрує розчин (цукор), випаровуючи чисту воду. Знайдіть кількість випаруваної води W в kg/h.
F = 3900 kg/hxF = 14 %xP = 40 %
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 = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 70 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Енергетичний балансСкладна
Гарячий теплоносій (легка олива) нагріває воду в теплообміннику, що втрачає в довкілля 10% теплоти, відданої гарячим потоком. Знайдіть потрібну витрату води ṁc.
ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 110 °Ct: 20 → 70 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)втрати = 10 %
ṁc = kg/s
5.Рівняння стану ідеального газуСередня
Який об’єм V займає 360 g газу (He) при 250 kPa і 50 °C? Вважайте газ ідеальним.
m = 360 gM = 4,003 g/molP = 250 kPaT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Рівняння стану ідеального газуСкладна
Знайдіть густину ρ газу (He) при 250 kPa і 100 °C, вважаючи його ідеальним.
M = 4,003 g/molP = 250 kPaT = 100 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.СтехіометріяСередня
16 g CH4 і 64 g O2 реагують за рівнянням CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Яка маса m H2O може утворитися?
M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.СтехіометріяСкладна
У реакції 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3 16 g Al реагує повністю (інші реагенти в надлишку) і збирають 69,58 g AlCl3. Знайдіть вихід у відсотках Y.
M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl3) = 133,33 g/molфактичний: 69,58 g
Y = %
3Розчини
1.Матеріальний баланс
Відповідь: ṁ2 = 2000 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 − 35)/(35 − 50) = 2000 kg/h
Відповідь
ṁ2 = 2000 kg/h
2.Матеріальний баланс
Відповідь: W = 2535 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 = 3900·14/40 = 1365 kg/h
Загальний баланс
W = F − P = 3900 − 1365 = 2535 kg/h
Відповідь
W = 2535 kg/h
3.Енергетичний баланс
Відповідь: tout = 95,36 °C
Енергетичний баланс теплообмінника: без втрат ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Теплота, віддана гарячим потоком
Q = 2,5·2,1·(160 − 70) = 472,5 kW
Теплота, отримана водою
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 472,5/(1,5·4,18) = 95,36 °C
Відповідь
tout = 95,36 °C
4.Енергетичний баланс
Відповідь: ṁc = 0,9495 kg/s
Енергетичний баланс із втратами: віддана теплота = отримана теплота + втрачена теплота.
Віддана теплота
Qh = 1,5·2,1·(180 − 110) = 220,5 kW
Теплота, що доходить до води
Qc = (1 − 0,1)·220,5 = 198,5 kW
Витрата води
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 198,5/(4,18·50) = 0,9495 kg/s
Відповідь
ṁc = 0,9495 kg/s
5.Рівняння стану ідеального газу
Відповідь: V = 966,5 L
Рівняння стану ідеального газу: PV = nRT, де n = m/M.
Молі
n = 360/4,003 = 89,93 mol
T = 50 + 273,15 = 323,1 K
Об’єм
V = nRT/P = 89,93·8,314·323,1/250 = 966,5 L
Відповідь
V = 966,5 L
6.Рівняння стану ідеального газу
Відповідь: ρ = 0,3226 kg/m³
Густина ідеального газу: ρ = PM/(RT).
Перетворіть газовий закон
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 100 + 273,15 = 373,1 K
Густина
ρ = 250·4,003/(8,314·373,1) = 0,3226 kg/m³
Відповідь
ρ = 0,3226 kg/m³
7.Стехіометрія
Відповідь: m = 35,95 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(CH4) = 16/16,04 = 0,9975 mol
n(O2) = 64/32 = 2 mol
Лімітуючий реагент
0,9975/1 = 0,9975, 2/2 = 1 → CH4
Маса продукту
n(H2O) = 0,9975·2 = 1,995 mol
m = 1,995·18,02 = 35,95 g
Відповідь
m = 35,95 g
8.Стехіометрія
Відповідь: Y = 88 %
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(Al) = 16/26,98 = 0,593 mol
m = 0,593·2/2·133,33 = 79,07 g
Вихід у відсотках
Y = 69,58/79,07·100 = 88%
Відповідь
Y = 88%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances