Φύλλο Εργασίας 3: "Μετρήσεις Μάζας-Διαγράμματα" Με Απαντήσεις / Μιχαήλ Π. Μιχαήλ
Ισοζύγιο Μάζας
-
Upload
nadine-beck -
Category
Documents
-
view
47 -
download
0
description
Transcript of Ισοζύγιο Μάζας
![Page 1: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/1.jpg)
Ισοζύγιο Μάζας
Ισοζύγιο Μάζας είναι ο ισολογισμός των ποσοτήτων μάζας που υφίστανται αλλαγές ή διέρχονται μέσα από
ένα σύστημα
Εξερχόμενα ΡεύματαEισερχόμενα
Ρεύματα
Προσεκτική επιλογή των ορίων του συστήματος
Ορια του συστήματος
![Page 2: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/2.jpg)
Γενικό Ισοζύγιο Μάζας
Εξερχόμενα Ρεύματα
Eισερχόμενα Ρεύματα
Ορια του συστήματος
Ρυθμός Εισόδου Μάζας Εντός των ορίων του Συστήματος
Ρυθμός Εξόδου Μάζας από τα όρια του Συστήματος
Ρυθμός Παραγωγής Μάζας Εντός του Συστήματος
Ρυθμός Κατανάλωσης Μάζας Εντός του Συστήματος
- +=
Ρυθμός Ρυθμός Ρυθμός Ρυθμός
Εισόδου + Παραγωγής = Εξόδου + Κατανάλωσης
Ολικό Ισοζύγιο Μάζας
![Page 3: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/3.jpg)
Εφαρμογή Ισοζυγίου Μάζας
Εξερχόμενα Ρεύματα
Eισερχόμενα Ρεύματα
Ορια του συστήματος
1. Ολική Μάζα2. Ολικά Γραμμομόρια3. Μάζα Στοιχείων4. Γραμμομόρια Στοιχείων5. Μάζα Χημικών Ενώσεων6. Γραμμομόρια Χημικών Ενώσεων
![Page 4: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/4.jpg)
Tυπική Παραγωγική Διαδικασία
Αέριες εκπομπές
Διεργασία 1Πρώτη Ύλη Προιόν……...
Αντιδραστήρια
Στερεά / ΥγράΑπόβλητα
Ρεύμα 1
Ρεύμα 2 Ρεύμα 3
Ρεύμα 4
Ρεύμα 5
Αέριες εκπομπές
Διεργασία n
Αντιδραστήρια
Στερεά / ΥγράΑπόβλητα
Ρεύμα k-4
Ρεύμα k-3 Ρεύμα k-2
Ρεύμα k-1
Ρεύμα k
Ενέργεια Ενέργεια
![Page 5: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/5.jpg)
Απλοποιημένο διάγραμμα ροής
F1
F2
F3
![Page 6: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/6.jpg)
Απλοποιημένο διάγραμμα ροής
Μετάλλευμα
60% Fe2O3
40% SiO21000 kg/h
Προιόν
100% Fe2O3
570 kg/h
Απόρριμμα
7% Fe2O3
93% SiO2
430 kg/h
Μαγνητικός Διαχωρισμός
![Page 7: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/7.jpg)
Καύση μεθανίου με αέρα
S3:
S1:
S2:
Βήμα 1ο : Σχεδιασμός διαγράμματος
Καυσαέρια
Mεθάνιο
Αέρας
Καύση C + O2 = CO2Διεργασία Καύσης
Σ' έναν καυστήρα καίγεται μεθάνιο (CH4(g)) με ογκομετρική παροχή 10 m3/h. Να σχεδιαστεί το διάγραμμα ροής.
![Page 8: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/8.jpg)
S1: S3:
S2:
Βήμα 2ο : Σχεδιασμός διαγράμματος Εισαγωγη Χημικών αντιδράσεων
ΚαυσαέριαMεθάνιο
Αέρας
Καύση C + O2 = CO2
Καύση
R1: CΗ4 + 2 Ο2 = CO2 + 2 Η2Ο
Καύση μεθανίου με αέρα
Σ' έναν καυστήρα καίγεται μεθάνιο (CH4(g)) με ογκομετρική παροχή 10 m3/h. Να σχεδιαστεί το διάγραμμα ροής.
S : Ρεύμα (Stream)S1: Ρεύμα 1 (Αρίθμηση Ρευμάτων)
R : Χημική Αντίδραση (Reaction)R1: Χημική Αντίδραση 1
![Page 9: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/9.jpg)
S1: S3:
S2:
Βήμα 3ο : Τοποθετούμε τα δεδομένα και τις πιθανές συστάσεις των ρευμάτων
ΚαυσαέριαMεθάνιο
Αέρας
Καύση C + O2 = CO2
Καύση μεθανίου με αέρα
Σ' έναν καυστήρα καίγεται μεθάνιο (CH4(g)) με ογκομετρική παροχή 10 m3/h. Να σχεδιαστεί το διάγραμμα ροής.
ΚαύσηCΗ4 + 2 Ο2 = CO2 + 2 Η2Ο
F1 = ? kmol/h
M1 = ? kmol/h
mCH41 = ? kmol/h
fCH41 = ? kmol/h
Q1 = 10 m3/h
Q1 : Ογκομετρική Παροχή Ρεύμα 1 Μ1: Μαζική παροχή Ρεύμα 1F1: Γραμμομοριακή Παροχή Ρεύμα 1
q1CH4 : Ογκομετρική Μεθανίου Παροχή Ρεύμα 1 m1CH4: Μαζική παροχή Μεθανίου Ρεύμα 1f1CH4: Γραμμομοριακή Παροχή Μεθανίου Ρεύμα 1
q1CH4 = ? m3/h
![Page 10: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/10.jpg)
S1: S3:
S2:
Βήμα 3ο : Τοποθετούμε τα δεδομένα και τις πιθανές συστάσεις των ρευμάτων
ΚαυσαέριαMεθάνιο
Αέρας
Καύση C + O2 = CO2
Καύση μεθανίου με αέρα
Σ' έναν καυστήρα καίγεται μεθάνιο (CH4(g)) με ογκομετρική παροχή 10 m3/h. Να σχεδιαστεί το διάγραμμα ροής.
ΚαύσηCΗ4 + 2 Ο2 = CO2 + 2 Η2Ο
F1 = ? kmol/h
M1 = ? kmol/h
mCH41 = ? kmol/h
fCH41 = ? kmol/h
Q1 = 10 m3/h
Q2 = ? m3/h
M2 = ? kg/h
F2 = ? kmol/h m2O2 = ? kg/h
m2N2 = ? kg/h
f2O 2 = ? kmol/h
f2N2 = ? kmol/h
x2O 2 = ?
f2N2 = ?
Q2 : Ογκομετρική Παροχή Ρεύμα 2 Μ2: Μαζική παροχή Ρεύμα 2F2: Γραμμομοριακή Παροχή Ρεύμα 2
q1CH4 : Ογκομετρική O2, N2 Παροχή Ρεύμα 2 m1CH4: Μαζική παροχή O2, N2 Ρεύμα 2f1CH4: Γραμμομοριακή Παροχή O2, N2 Ρεύμα 2
q1CH4 = ? m3/h
![Page 11: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/11.jpg)
S1: S3:
S2:
Βήμα 3ο : Τοποθετούμε τα δεδομένα και τις πιθανές συστάσεις των ρευμάτων
ΚαυσαέριαMεθάνιο
Αέρας
Καύση C + O2 = CO2
Καύση μεθανίου με αέρα
Σ' έναν καυστήρα καίγεται μεθάνιο (CH4(g)) με ογκομετρική παροχή 10 m3/h. Να σχεδιαστεί το διάγραμμα ροής.
ΚαύσηCΗ4 + 2 Ο2 = CO2 + 2 Η2Ο
F1 = ? kmol/h
M1 = ? kmol/h
Q1 = 10 m3/h
Q2 = ? m3/h
M2 = ? kg/h
F2 = ? kmol/hf3CH4 : Γραμμομοριακή Παροχή CH4, Ρεύμα 3 f3O2: Γραμμομοριακή Παροχή O2, Ρεύμα 3f3N2: Γραμμομοριακή Παροχή N2 Ρεύμα 3
F3 = ? kmol/h
Q3 = ? m3/h
M3 = ? kg/h
m3CO 2 = ? kg/h
m3H2O = ? kg/h
m3CH4 = ? kg/h
m3O 2 = ? kg/h
m3N2 = ? kg/h
f3CO 2 = ? kmol/h
f3H2O = ? kmol/h
f3CH4 = ? kmol/h
f3O 2 = ? kmol/h
f3N2 = ? kmol/h
x3CO 2 = ?
x3H2O = ?
x3CH4 = ?
x3O 2 = ? x3N2 = ?
![Page 12: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/12.jpg)
S1: S3:
S2:
Βήμα 3ο : Τοποθετούμε τα δεδομένα και τις πιθανές συστάσεις των ρευμάτων
ΚαυσαέριαMεθάνιο
Αέρας
Καύση C + O2 = CO2
Καύση μεθανίου με αέρα
Σ' έναν καυστήρα καίγεται μεθάνιο (CH4(g)) με ογκομετρική παροχή 10 m3/h. Να σχεδιαστεί το διάγραμμα ροής.
ΚαύσηCΗ4 + 2 Ο2 = CO2 + 2 Η2Ο
F1 = ? kmol/h
M1 = ? kmol/h
Q1 = 10 m3/h
Q2 = ? m3/h
M2 = ? kg/h
F2 = ? kmol/h
F3 = ? kmol/h
Q3 = ? m3/h
M3 = ? kg/h
m3CO 2 = ? kg/h
m3H2O = ? kg/h
m3CH4 = ? kg/h
m3O 2 = ? kg/h
m3N2 = ? kg/h
f3CO 2 = ? kmol/h
f3H2O = ? kmol/h
f3CH4 = ? kmol/h
f3O 2 = ? kmol/h
f3N2 = ? kmol/h
x3CO 2 = ?
x3H2O = ?
x3CH4 = ?
x3O 2 = ? x3N2 = ?
mCH41 = ? kmol/h
fCH41 = ? kmol/h
q1CH4 = ? m3/h
m2O2 = ? kg/h
m2N2 = ? kg/h
f2O 2 = ? kmol/h
f2N2 = ? kmol/h
x2O 2 = ?
f2N2 = ?
![Page 13: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/13.jpg)
S1: S3:
S2:
Βήμα 3ο : Τοποθετούμε τα δεδομένα και τις πιθανές συστάσεις των ρευμάτων
ΚαυσαέριαMεθάνιο
Αέρας
Καύση C + O2 = CO2
Καύση μεθανίου με αέρα
Σ' έναν καυστήρα καίγεται μεθάνιο (CH4(g)) με ογκομετρική παροχή 10 m3/h. Να σχεδιαστεί το διάγραμμα ροής.
ΚαύσηCΗ4 + 2 Ο2 = CO2 + 2 Η2Ο
F1 = ? kmol/h
M1 = ? kmol/h
Q1 = 10 m3/h
Q2 = ? m3/h
M2 = ? kg/h
F2 = ? kmol/h
F3 = ? kmol/h
Q3 = ? m3/h
M3 = ? kg/h
m3CO 2 = ? kg/h
m3H2O = ? kg/h
m3CH4 = ? kg/h
m3O 2 = ? kg/h
m3N2 = ? kg/h
f3CO 2 = ? kmol/h
f3H2O = ? kmol/h
f3CH4 = ? kmol/h
f3O 2 = ? kmol/h
f3N2 = ? kmol/h
x3CO 2 = ?
x3H2O = ?
x3CH4 = ?
x3O 2 = ? x3N2 = ?
mCH41 = ? kmol/h
fCH41 = ? kmol/h
q1CH4 = ? m3/h
m2O2 = ? kg/h
m2N2 = ? kg/h
f2O 2 = ? kmol/h
f2N2 = ? kmol/h
x2O 2 = ?
f2N2 = ?
![Page 14: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/14.jpg)
S1: S3:
S2:
Βήμα 3ο : Τοποθετούμε τα δεδομένα και τις πιθανές συστάσεις των ρευμάτων
ΚαυσαέριαMεθάνιο
Αέρας
Καύση C + O2 = CO2
Καύση μεθανίου με αέρα
Σ' έναν καυστήρα καίγεται μεθάνιο (CH4(g)) με ογκομετρική παροχή 10 m3/h. Να σχεδιαστεί το διάγραμμα ροής.
ΚαύσηCΗ4 + 2 Ο2 = CO2 + 2 Η2Ο
F1 = ? kmol/h
Q1 = 10 m3/h
fCH41 = ? kmol/h
q1CH4 = ? m3/h
M1 = ? kg/h
m1CH4 = ? kg/h
x1CH4 = ?
w1CH4 = ?
x1CH4 : Γραμμομοριακή Σύσταση CH4, Ρεύμα 1 w1CH4: Κατά Βάρος Σύσταση CH4, Ρεύμα 1
![Page 15: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/15.jpg)
S1: S3:
S2:
Βήμα 3ο : Τοποθετούμε τα δεδομένα και τις πιθανές συστάσεις των ρευμάτων
ΚαυσαέριαMεθάνιο
Αέρας
Καύση C + O2 = CO2
Καύση μεθανίου με αέρα
Σ' έναν καυστήρα καίγεται μεθάνιο (CH4(g)) με ογκομετρική παροχή 10 m3/h. Να σχεδιαστεί το διάγραμμα ροής.
ΚαύσηCΗ4 + 2 Ο2 = CO2 + 2 Η2Ο
F1 = ? kmol/h
Q1 = 10 m3/h
fCH41 = ? kmol/h
q1CH4 = ? m3/h
M1 = ? kg/h
m1CH4 = ? kg/h
x1CH4 = 1
w1CH4 = 1
q1CH4 = x1CH4 x Q1 = 1,00 x 10,00 kmol/h = 10,00 m3/h
f1CH4 = q1CH4 / Vm = 10,00 m3/h / 22,40 m3/kmol = 0,45 kmol/h
m1CH4 = f1CH4 x ΜΒCH4 = 0,45 kmol/h x 18,00 kg/kmol = 8,04 kg/hF1 = f1cH4 / x1CH4 = 0,45 kmol/h / 1,00 = 0,45 kmol/h
M1 = m1CH4 / w1CH4 = 8,04 kg/h / 1,00 = 8,04 kg/h
![Page 16: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/16.jpg)
Πλήρης καύση μεθανίου με περίσσεια αέρα
Φυσικό Αέριο
99% CH4
1% N2
10 m3/h
Προιόν Kαύσης
9% CO2
72% N2
1% O2
18% Η2Ο
110 m3/h
Αέρας
79% N2
21% O2
100 m3/h
Καύση Μεθανίου
CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O
![Page 17: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/17.jpg)
Πληροφορίες που πρέπει να απεικονίζονται σ’ ένα ρεύμα
Θεμελιώδεις πληροφορίες Μονάδες
Είδος ρεύματοςΕίδος συστατικώνΚλάσματα μάζας για κάθε συστατικόKατ’ όγκο περιεκτικότηταΓραμμομοριακά κλάσματα για κάθε συστατικόΣυγκέντρωση συστατικούΜαζική ροήΟγκομετρική ροήΓραμμομοριακή ροήΜαζική ροή κάθε συστατικούΟγκομετρική ροή κάθε συστατικούΓραμμομοριακή ροή κάθε συστατικούΘερμοκρασίαΠίεση
Στερεό (S), Υγρό (L), Αέριο (G)Χημικός τύπος% w/w% w/v% f/fmol/Lkg/hm3/hmol/hkg/hm3/hmol/hK, Cbar, atm
![Page 18: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/18.jpg)
Ολικό Ισοζύγιο Μάζας
Ισοζύγιο σε moles μπορεί να γίνει μόνο σε συστήματα στα οποία δεν συμβαίνει χημική αντίδραση
ή
ί
έ
μάζας
ό
ό
ή
ί
έ
μάζας
ί
ό
![Page 19: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/19.jpg)
Εφαρμογή Ισοζυγίου Μάζας
Ανάμιξη
S1: Πρώτη ύλη
M1: kg/h
Q1: m3/h
S2: Διαλύτης
M2: kg/h
Q2: m3/h
S3: Προιόν
M3: kg/h
Q3: m3/h
j
jouti
iin MM
joutjoutj
iiniin QQ
Ολικό ισοζύγιο μάζας: Μ1 + Μ2 = Μ3 Q1ρ1 + Q2ρ2 = Q3ρ3
![Page 20: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/20.jpg)
Ολικό Ισοζύγιο Μάζας: Παράδειγμα
Αραίωση φωσφορικού οξέος με νερό, ολικό ισοζύγιο μάζας σε kg/h
1.4 kg/h διαλύματος φωσφορικού οξέος (H3PO4) αραιώνονται με 2.3 kg/h νερού. Πόση είναι η μαζική παροχή του διαλύματος που προκύπτει;
Δεδομένα: Μ1 = 1.4 kg-π. διαλ. H3PO4 /hΜ2 = 2.3 kg-Η2Ο/h
Ζητούνται: Μ3 = ? kg-αρ. διαλ. Η3PO4/h
![Page 21: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/21.jpg)
Ολικό Ισοζύγιο Μάζας: Αραίωση φωσφορικού οξέος με νερό
S1:
Μ1 1 kg/h
S3:
Μ3 ? kg/h
S2:
Μ2 2,3 kg/h
H2O
Πυκνό Διάλυμα Η3PO4
Αραιό Διάλυμα Η3PO4
Καύση C + O2 = CO2Αραίωση
Η3 PO4 με Η2Ο
Σταδιο 1: Κατασκευή διαγράμματος ΡοήςΣτάδιο 2: Αρίθμηση ρευμάτωνΣτάδιο 3: Σημείωση όλων των διαθέσιμων στοιχείων στο
διάγραμμα
![Page 22: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/22.jpg)
Ολικό Ισοζύγιο Μάζας: Αραίωση φωσφορικού οξέος με νερό
Στάδιο 4: Εξισώσεις ισοζυγίων μάζαςΣτάδιο 5: Αντικατάσταση μεταβλητών και εκτέλεση
υπολογισμών
Ολικό ισοζύγιο μάζας: Μ1 + Μ2 = Μ3
S1:
Μ1 1 kg/h
S3:
Μ3 ? kg/h
S2:
Μ2 2,3 kg/h
H2O
Πυκνό Διάλυμα Η3PO4
Αραιό Διάλυμα Η3PO4
Καύση C + O2 = CO2Αραίωση
Η3 PO4 με Η2Ο
Μ3 = Μ1 + Μ2 = 1,40 kg αρ. διαλ. Η3PO4 /h + 2,30 kg Η2O /h = 3,70 kg π. διαλ. Η3PO4 /h
![Page 23: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/23.jpg)
Ολικό Ισοζύγιο Μάζας: Παράδειγμα Αραίωση θειικού οξέος με νερό, ολικό ισοζύγιο μάζας σε kmol/h
0.4 kmol/h καθαρού θειικού οξέος (H2SO4) αραιώνονται με 5.2 kmol/h νερού. Πόση είναι η μαζική και η γραμμομοριακή παροχή του διαλύματος που προκύπτει ;
Δεδομένα: F1 = 0.4 kmol- Η2SO4/hF2 = 5.2 kmol-Η2Ο/hMBH2SO4 = 98.09 kg/kmolMBH2O = 18.01 kg/kmol
Ζητούνται: Μ3 = ? kg. διαλ. Η2SO4/hF3 = ? kmol. διαλ. Η2SO4/h
![Page 24: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/24.jpg)
Ολικό Ισοζύγιο Μάζας: Αραίωση φωσφορικού οξέος με νερό
Σταδιο 1: Κατασκευή διαγράμματος ΡοήςΣτάδιο 2: Αρίθμηση ρευμάτωνΣτάδιο 3: Σημείωση όλων των διαθέσιμων στοιχείων στο
διάγραμμα
S1:
F1: ? kg/h Μ1 0,4 kmol/h
S3:
Μ3 ? kg/h F3: ? kmol/h
S2:
M2 ? kg/h F2: 5,2 kmol/h
H2O
Η2SO4
Διάλυμα Η2SO4
Καύση C + O2 = CO2Αραίωση
Η2 SO4 με Η2Ο
![Page 25: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/25.jpg)
Ολικό Ισοζύγιο Μάζας: Αραίωση φωσφορικού οξέος με νερό
Στάδιο 4: Εξισώσεις ισοζυγίων μάζαςΣτάδιο 5: Άλλες εξισώσεις (ρεύματα διεργασίας)Στάδιο 6: Αντικατάσταση μεταβλητών και εκτέλεση
υπολογισμών
Προσοχή!!!!! αφού στο σύστημα δεν συμβαίνει χημική αντίδραση το ολικό ισοζύγιο μάζας μπορεί να γίνει και σε kmoles και σε kg
Ολικό ισοζύγιο μάζας kmol: F1 + F2 = F3 Ολικό ισοζύγιο μάζας kg : Μ1 + Μ2 = Μ3
S1:
F1: ? kg/h Μ1 0,4 kmol/h
S3:
Μ3 ? kg/h F3: ? kmol/h
S2:
M2 ? kg/h F2: 5,2 kmol/h
H2O
Η2SO4
Διάλυμα Η2SO4
Καύση C + O2 = CO2Αραίωση
Η2 SO4 με Η2Ο
S1: F1 x MBH2SO4 = Μ1
+ +S2: F2 x MBH2O = Μ2
= =S3: F3 Μ3
![Page 26: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/26.jpg)
Ολικό Ισοζύγιο Μάζας: Αραίωση φωσφορικού οξέος με νερό
Στάδιο 4: Εξισώσεις ισοζυγίων μάζαςΣτάδιο 5: Άλλες εξισώσεις (ρεύματα διεργασίας)Στάδιο 6: Αντικατάσταση μεταβλητών και εκτέλεση
υπολογισμών
F3 = F1 + F2 = 0,40 kmol Η2SO4 /h + 5,20 kmol Η2O /h = 5,60 kmol διαλ. Η2SO4 /h
M1 = F1 x MWH2SO4 = 0,40 kmol Η2SO4 /h x 98,09 kg/kmol = 39,24 kg Η2SO4 /h
M2 = F2 x MWH2O = 5,20 kmol Η2O /h x 18,01 kg/kmol = 93,65 kg Η2O /hM3 = M1 + M2 = 39,24 kg Η2SO4 /h x 93,65 kg Η2O /h = 132,89 kg διαλ. Η2SO4 /h
ΑποτελέσματαEξισώσεις Αντικατάσταση Μεταβλητών
S1:
F1: ? kg/h Μ1 0,4 kmol/h
S3:
Μ3 ? kg/h F3: ? kmol/h
S2:
M2 ? kg/h F2: 5,2 kmol/h
H2O
Η2SO4
Διάλυμα Η2SO4
Καύση C + O2 = CO2Αραίωση
Η2 SO4 με Η2Ο
![Page 27: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/27.jpg)
Ολικό Ισοζύγιο Μάζας: Άσκηση για εξάσκηση Ανάμιξη Η2 και CO, ολικό ισοζύγιο μάζας
50 m3/h αέριου υδρογόνου αναμιγνύονται σε κανονικές συνθήκες με 30 m3/h αέριου μονοξειδίου του άνθρακα. Πόση είναι η παροχή του αερίου διαλύματος που προκύπτει σε kg/h, kmol/h και m3/h ; Ποιο είναι το μέσο μοριακό βάρος του ρεύματος που προκύπτει από την ανάμιξη των δύο αερίων; Ποια είναι η μαζική και ποια η γραμμομοριακή παροχή, καθώς το μέσο μοριακό βάρος, αν η παροχή του μονοξειδίου του άνθρακα μεταβληθεί από 0 m3 CO/h σε 150 m3 CO/h; Να γίνει η γραφική παράσταση της μεταβολής του μέσου μοριακού βάρους συναρτήσει της ογκομετρικής παροχής του CO.
![Page 28: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/28.jpg)
Ισοζύγιο Μάζας Xημικού Στοιχείου
Ισοζύγιο χημικού στοιχείου σε μη σταθερή κατάσταση
ή
ί
έ
στοιχείου
όό
ή
ί
έ
στοιχείου
ίό
ύ
έ
ί
ώ
ό
![Page 29: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/29.jpg)
Ισοζύγιο Μάζας Xημικού Στοιχείου
Ισοζύγιο μάζας χημικού στοιχείου μπορεί να γίνει σε όλα τα συστήματα σε moles ή σε kg
ανεξάρτητα αν στο σύστημα συμβαίνει χημική αντίδραση
ή
ί
έ
μάζας
ό
ό
ή
ί
έ
μάζας
ί
ό
Ισοζύγιο χημικού στοιχείου σε σταθερή κατάσταση
Xρησιμοποιείται και για τον έλεγχο της ορθότητας των υπολογισμών
![Page 30: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/30.jpg)
Ισοζύγιο Μάζας Χημικού Στοιχείου: Παράδειγμα
Ηλεκτρόλυση νερού ισοζύγιο μάζας σε mol/h και g/h
Ένας σπουδαστής ισχυρίζεται ότι σχεδίασε μια συσκευή ηλεκτρόλυσης νερού η οποία μπορεί να κατεργάζεται 90 g-H2O/h και να παράγει 120 L/h H2 και 56 L/h O2 σε κανονικές συνθήκες. Ελέγξτε την ορθότητα των ισχυρισμών του διενεργώντας το ισοζύγιο του υδρογόνου και του οξυγόνου στα ρεύματα εισόδου και εξόδου.
Μ1 = 90 g-H2O/h Q2 = 120 L-H2/h Q3 = 56 L-O2/h Vm = 22.4 L/mol Δεδομένα:
ΜΒH2 = 2 g/mol ΜΒO2 = 16 g/mol ΜΒH2O = 18 g/mol
Ζητούνται: m1H2 = ? m1O2 = ? m2H2 = ? m3O2 = ?
![Page 31: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/31.jpg)
Σταδιο 1: Κατασκευή διαγράμματος Ροής
Στάδιο 2:Αρίθμηση ρευμάτωνΣτάδιο 3:Σημείωση όλων των διαθέσιμων
στοιχείων στο διάγραμμα
Ισοζύγιο Μάζας Χημικού Στοιχείου: Ηλεκτρόλυση νερού
S2:
Q2: 120 L/hm2H2 ? g/h
S1:
Μ1: 90 g/h m1H2 ? g/h S3: Οξυγόνοm1O2 ? g/h Q3: 56 L/h
m3O2 ? g/h
Νερό
Υδρογόνο
Καύση C + O2 = CO2Ηλεκτρόλυση
Η2 + 1/2 O2 = Η2Ο
![Page 32: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/32.jpg)
Στάδιο 4: Εξισώσεις ισοζυγίων μάζαςΣτάδιο 5: Άλλες εξισώσεις (ρεύματα
διεργασίας)Στάδιο 6: Αντικατάσταση μεταβλητών
και εκτέλεση υπολογισμών
Προσοχή!!!!! αφού στο το ολικό ισοζύγιο μάζας των
χημικών στοιχείων μπορεί να γίνει και σε kmoles και σε kg
Ισοζύγιο Μάζας Χημικού Στοιχείου: Ηλεκτρόλυση νερού
S2:
Q2: 120 L/hm2H2 ? g/h
S1:
Μ1: 90 g/h m1H2 ? g/h S3: Οξυγόνοm1O2 ? g/h Q3: 56 L/h
m3O2 ? g/h
Νερό
Υδρογόνο
Καύση C + O2 = CO2Ηλεκτρόλυση
Η2 + 1/2 O2 = Η2Ο
x 1 = f1H2 / MBH2 = m1H2
S1: Μ1 / MBH2O = F1H2O
x 0.5 = f1O2 / MBO2 = m1O2
S2: Q2 / Vm = F2 / MBH2 = m2H2
S3: Q2 / Vm = F2 / MBO2 = m3O2
? =
? =
![Page 33: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/33.jpg)
Ισοζύγιο Μάζας Χημικού Στοιχείου: Ηλεκτρόλυση νερού
F1 = F1 / ΜBH2O = 90 g/h / 18 kg/kmol = 5,00 mol/h
f1H2 = 1 x F1 = 1 mol-H2/mol-H2Ox 5,00 kmol/h = 5,00 mol/h
f1O2 = 0.5 x F1 = 0,50 mol-O2/mol-H2Ox 5,00 kmol-O2/kmol-air = 2,50 mol/h
m1H2 = f1H2 x ΜΒH2 = 5,00 kmol-O2/h x 2,00 kg/kmol = 10,00 g/h
m1O2 = f1O2 x ΜΒO2 = 2,50 kmol-N2/h x 32 kg/kmol = 80,00 g/h
F2 = Q2/ Vm = #### L/h / 22,4 L/mol = 5,36 mol/h
F3 = Q3/ Vm = 56,00 L/h / 22,4 L/mol = 2,50 mol/h
F2 = f2H2 = 5,36 mol/h = 5,36 mol/h
F3 = f3O2 = 2,50 mol/h = 2,50 mol/h
m2H2 = f2H2 x ΜΒH2 = 5,36 mol/h x 2,00 g/mol = 10,71 g/h
m3O2 = f3O2 x ΜΒO2 = 2,50 mol/h x 32,00 g/mol = 80,00 g/h
S2:
Q2: 120 L/hm2H2 ? g/h
S1:
Μ1: 90 g/h m1H2 ? g/h S3: Οξυγόνοm1O2 ? g/h Q3: 56 L/h
m3O2 ? g/h
Νερό
Υδρογόνο
Καύση C + O2 = CO2Ηλεκτρόλυση
Η2 + 1/2 O2 = Η2Ο
x 1 = f1H2 / MBH2 = m1H2
S1: Μ1 / MBH2O = F1H2O
x 0.5 = f1O2 / MBO2 = m1O2
S2: Q2 / Vm = F2 / MBH2 = m2H2
S3: Q2 / Vm = F2 / MBO2 = m3O2
? =
? =
![Page 34: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/34.jpg)
Ισοζύγιο Μάζας Χημικού Στοιχείου: Ηλεκτρόλυση νερού
F1 = F1 / ΜBH2O = 90 g/h / 18 kg/kmol = 5,00 mol/h
f1H2 = 1 x F1 = 1 mol-H2/mol-H2Ox 5,00 kmol/h = 5,00 mol/h
f1O2 = 0.5 x F1 = 0,50 mol-O2/mol-H2Ox 5,00 kmol-O2/kmol-air = 2,50 mol/h
m1H2 = f1H2 x ΜΒH2 = 5,00 kmol-O2/h x 2,00 kg/kmol = 10,00 g/h
m1O2 = f1O2 x ΜΒO2 = 2,50 kmol-N2/h x 32 kg/kmol = 80,00 g/h
F2 = Q2/ Vm = #### L/h / 22,4 L/mol = 5,36 mol/h
F3 = Q3/ Vm = 56,00 L/h / 22,4 L/mol = 2,50 mol/h
F2 = f2H2 = 5,36 mol/h = 5,36 mol/h
F3 = f3O2 = 2,50 mol/h = 2,50 mol/h
m2H2 = f2H2 x ΜΒH2 = 5,36 mol/h x 2,00 g/mol = 10,71 g/h
m3O2 = f3O2 x ΜΒO2 = 2,50 mol/h x 32,00 g/mol = 80,00 g/h
S2:
Q2: 120 L/hm2H2 ? g/h
S1:
Μ1: 90 g/h m1H2 ? g/h S3: Οξυγόνοm1O2 ? g/h Q3: 56 L/h
m3O2 ? g/h
Νερό
Υδρογόνο
Καύση C + O2 = CO2Ηλεκτρόλυση
Η2 + 1/2 O2 = Η2Ο
Ολικό Ισοζύγιο Μάζας: Μ1 = m1H2 + m1O2 = Μ2 + Μ3 = m2H2 + m3O2
10 g/h + 80 g/h <=> 10.71 g/h + 80 g/h
![Page 35: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/35.jpg)
Ισοζύγιο Μάζας Xημικής Ένωσης
Ισοζύγιο μάζας χημικής ένωσης σε μη σταθερή κατάσταση
ή
ό
ύ
ά
ό
ή
ό
ύ
ή
ό
ύ
τταπό
συστατικού
ό
ό
ύ
σ έ
συστατικού
ό
ό
ή
ό
ύ
ώ
ό
![Page 36: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/36.jpg)
Ισοζύγιο μάζας χημικής ένωσης μπορεί να γίνει σε όλα τα συστήματα σε moles ή σε kg
ανεξάρτητα αν στο σύστημα συμβαίνει χημική αντίδραση
Ισοζύγιο μάζας χημικής ένωσης σε σταθερή κατάσταση
Αρκεί να ληφθούν υπόψη οι παράγοντεςΡυθμός παραγωγής generation (gen)
Ρυθμός κατανάλωσης consumption (cons)
Ισοζύγιο Μάζας Xημικής Ένωσης
συστατικού συστατικού -
σ από το
ό ό ό ό
ό ό
ύ
έ ό
ύ ή
ή
ύ
ύ
ά
ό
ή
![Page 37: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/37.jpg)
Ισοζύγιο μάζας χημικής ένωσης σε σταθερή κατάσταση
gen: Ρυθμός παραγωγήςcons: Ρυθμός κατανάλωσης
Ισοζύγιο Μάζας Xημικής Ένωσης
συστατικού συστατικού -
σ από το
ό ό ό ό
ό ό
ύ
έ ό
ύ ή
ή
ύ
ύ
ά
ό
ή
Tο ισοζύγιο μάζας σε σταθερή κατάσταση για ένα συστατικό Α όταν η μάζα είναι εκφρασμένη σε kg/h είναι:
minA + mgenA = moutA + mconsA
αντίστοιχα όταν η μάζα είναι εκφρασμένη σε kmol/h:
finA + fgenA = foutA + fconsA
![Page 38: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/38.jpg)
Καύση μεθανίου και συστατικά που προκύπτουν από αυτήν
gen: Ρυθμός παραγωγήςcons: Ρυθμός κατανάλωσης
Ισοζύγιο Μάζας Xημικής Ένωσης
CH4: καταναλώνεται fconsCH4
O2: καταναλώνεται fconsO2
CO2: παράγεται fgenCO2
H2O: παράγεται fgenH2O
N2: ούτε παράγεται ούτε καταναλώνεται
S3:
f3CH4
S1: f3O2
f1CH4 f3CO2
x1CH4 1,00 f3H2O
f3N2
S2:
f2O2
f2Ν2
x2O2 0,21
x2Ν2 0,79
Άκαυστο ή περίσσεια
Δυνατή Σύσταση Καυσαερίων
Mεθάνιο
Αέρας
Περίσσεια ή Μη αντιδράσαν
Προιόν
Προιόν
Δεν αντιδρά είναι ίσο με το f2N2
Καύση C + O2 = CO2
ΚαύσηCΗ4 + 2 Ο2 = CO2 + 2 Η2Ο
![Page 39: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/39.jpg)
Καύση μεθανίου και συστατικά που προκύπτουν από αυτήν
Ισοζύγιο Μάζας Xημικής Ένωσης
CH4: καταναλώνεται fconsCH4
O2: καταναλώνεται fconsO2
CO2: παράγεται fgenCO2
H2O: παράγεται fgenH2O
N2: ούτε παράγεται ούτε καταναλώνεται
S3:
f3CH4
S1: f3O2
f1CH4 f3CO2
x1CH4 1,00 f3H2O
f3N2
S2:
f2O2
f2Ν2
x2O2 0,21
x2Ν2 0,79
Άκαυστο ή περίσσεια
Δυνατή Σύσταση Καυσαερίων
Mεθάνιο
Αέρας
Περίσσεια ή Μη αντιδράσαν
Προιόν
Προιόν
Δεν αντιδρά είναι ίσο με το f2N2
Καύση C + O2 = CO2
ΚαύσηCΗ4 + 2 Ο2 = CO2 + 2 Η2Ο
CH4: f1CΗ4 + f2CΗ4 + fgenCΗ4 = f3CΗ4 + fconsCΗ4
O2: f1O2 + f2O2 + fgenO2 = f3O2 + fconsO2
N2: f1N2 + f2N2 + fgenN2 = f3N2 + fconsN2
CO2: f1CO2 + f2CO2 + fgenCO2 = f3CO2 + fconsCO2
H2O: f1H2O + f2H2O + fgenH2O = f3H2O + fconsH2O
![Page 40: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/40.jpg)
Εξισώσεις ισοζυγίου μάζας συστατικών κατά την καύση μεθανίου
Ισοζύγιο Μάζας Xημικής Ένωσης
CH4: καταναλώνεται fconsCH4
O2: καταναλώνεται fconsO2
CO2: παράγεται fgenCO2
H2O: παράγεται fgenH2O
N2: ούτε παράγεται ούτε καταναλώνεται
S3:
f3CH4
S1: f3O2
f1CH4 f3CO2
x1CH4 1,00 f3H2O
f3N2
S2:
f2O2
f2Ν2
x2O2 0,21
x2Ν2 0,79
Άκαυστο ή περίσσεια
Δυνατή Σύσταση Καυσαερίων
Mεθάνιο
Αέρας
Περίσσεια ή Μη αντιδράσαν
Προιόν
Προιόν
Δεν αντιδρά είναι ίσο με το f2N2
Καύση C + O2 = CO2
ΚαύσηCΗ4 + 2 Ο2 = CO2 + 2 Η2Ο
CH4: f1CΗ4 + f2CΗ4 + fgenCΗ4 = f3CΗ4 + fconsCΗ4
O2: f1O2 + f2O2 + fgenO2 = f3O2 + fconsO2
N2: f1N2 + f2N2 + fgenN2 = f3N2 + fconsN2
CO2: f1CO2 + f2CO2 + fgenCO2 = f3CO2 + fconsCO2
H2O: f1H2O + f2H2O + fgenH2O = f3H2O + fconsH2O
fgenCΗ4 = fgenO2 = fgenN2
fconsN2 = fconsCO2 = fconsH2O
f1O2 = f1N2 = f1CO2 = f1H2O
f2CΗ4 = f2CO2 = f2H2O
Προσοχή όμως !!!!!!!
![Page 41: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/41.jpg)
Εξισώσεις ισοζυγίου μάζας συστατικών κατά την καύση μεθανίου
Ισοζύγιο Μάζας Xημικής Ένωσης
S3:
f3CH4
S1: f3O2
f1CH4 f3CO2
x1CH4 1,00 f3H2O
f3N2
S2:
f2O2
f2Ν2
x2O2 0,21
x2Ν2 0,79
Άκαυστο ή περίσσεια
Δυνατή Σύσταση Καυσαερίων
Mεθάνιο
Αέρας
Περίσσεια ή Μη αντιδράσαν
Προιόν
Προιόν
Δεν αντιδρά είναι ίσο με το f2N2
Καύση C + O2 = CO2
ΚαύσηCΗ4 + 2 Ο2 = CO2 + 2 Η2Ο
CH4: f1CΗ4 + f2CΗ4 + fgenCΗ4 = f3CΗ4 + fconsCΗ4
O2: f1O2 + f2O2 + fgenO2 = f3O2 + fconsO2
N2: f1N2 + f2N2 + fgenN2 = f3N2 + fconsN2
CO2: f1CO2 + f2CO2 + fgenCO2 = f3CO2 + fconsCO2
H2O: f1H2O + f2H2O + fgenH2O = f3H2O + fconsH2O
fgenCΗ4 = fgenO2 = fgenN2
fconsN2 = fconsCO2 = fconsH2O
f1O2 = f1N2 = f1CO2 = f1H2O
f2CΗ4 = f2CO2 = f2H2O
f1CΗ4 = fconsCΗ4
f2O2 = fconsO2
f2N2 = f3N2
fgenCO2 = f3CO2
fgenH2O = f3H2O
Τελικό Σύστημα !!!!!
![Page 42: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/42.jpg)
Εξισώσεις χημικής αντίδρασης καύσης μεθανίου
Ισοζύγιο Μάζας Xημικής Ένωσης
f1CΗ4 = fconsCΗ4
f2O2 = fconsO2
f2N2 = f3N2
fgenCO2 = f3CO2
fgenH2O = f3H2O
Τελικό Σύστημα !!!!!
CH4 (g) + 2 O2 (g) = CO2 (g) + 2 H2O (g)Αντιδρώντα προϊόντα
fconsCH4/1 = fconsO2/2 = fgenCO2/1 = fgenH2O/2
fconsO2 = 2 x fconsCΗ4
fgenCO2 = fconsCΗ4
fgenH2O = 2 x fconsCΗ4
Iσοζύγιο μάζας Χημική αντίδραση
![Page 43: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/43.jpg)
Εξισώσεις που προκύπτουν από μια χημική αντίδραση
Xημική Aντίδραση
Ri: aA + bB = cC + dDΑντιδρώντα προϊόντα
fconsRiA/a = fconsRiB/b = fgenRiC/c = fgenRiD/d
Προσοχή !!!!! fconsRiA, fconsRiB, fgenRiC, fgenRiD
γραμμομοριακές παροχές kmol/h
![Page 44: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/44.jpg)
Εξισώσεις που προκύπτουν από μια χημική αντίδραση
Xημική Aντίδραση
Ri: aA + bB = cC + dDΑντιδρώντα προϊόντα
mconsRiA/a MBA = mconsRiB/b MBB = mgenRiC/c MBC= mgenRiD/d MBD
Προσοχή !!!!! mconsRiA, mconsRiB, mgenRiC, mgenRiD
μαζικές παροχές kg/h
Ποια σχέση συνδέει τις μαζικές παροχές;;
![Page 45: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/45.jpg)
Εξισώσεις που προκύπτουν από πολλές χημικές αντιδράσεις
Xημική Aντίδραση
R1: a1A + b1B1 = c1C1 + d1D1
R2: a2A2 + b2B2 = c2C2 + d2DR3: a3A + b3B3 = c3C3 + d3D
R1: fconsR1A /a1 = fconsR1B1/b1 = fgenR1C1/c1 = fgenR1D1/d1
R2: fconsR2A2/a2 = fconsR2B2/b2 = fgenR2C2/c2 = fgenR2D /d2
R3: fconsR3A /a3 = fconsR3B3/b3 = fgenR3C3/c3 = fgenR3D/d3
Προσοχή !!!!! fconsRiA, fconsRiB, fgenRiC, fgenRiD
γραμμομοριακές παροχές kmol/h
![Page 46: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/46.jpg)
Ισοζύγιο Μάζας Χημικής Ένωσης: Παράδειγμα
Ανάμιξη θειικού οξέος ισοζύγιο μάζας χωρίς χημική αντίδραση σε kg/h
50 kg/h πυκνού διαλύματος θειικού οξέος (H2SO4) περιεκτικότητας 35% w/w, αραιώνονται με 15 kg/h νερού. Πόση ποσότητα θειικού οξέος και νερού περιέχει το αραιό διάλυμα που προκύπτει; Πόση είναι η μαζική παροχή του αραιού διαλύματος και ποια η κατά βάρος περιεκτικότητα του; .
Δεδομένα: Μ1 = 50 kg Η2SO4/h M2 = 15 kg Η2Ο/h
Ζητούνται: Μ3, m3H2SO4, m3H2O, x3H2SO4, x3H2O
![Page 47: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/47.jpg)
Σταδιο 1: Κατασκευή διαγράμματος Ροής
Στάδιο 2:Αρίθμηση ρευμάτωνΣτάδιο 3:Σημείωση όλων των διαθέσιμων
στοιχείων στο διάγραμμα
Ισοζύγιο Μάζας Χημικής Ένωσης: Αραίωση θειικού οξέος
S1: π. διαλ. Η2SO4
M1 50,00 kg/h m1H2SO4 ? kg/h m1H2O ? kg/h S3:
xw3H2SO4 0,35 Μ3 ? kg/h m3H2SO4 ? kg/h
S2: m3H2O ? kg/h M2 15,00 kg/h xw3H2SO4 ?
m2H2O 15,00 kg/h xw3H2O ?
Aραίωση θειικού οξέος με νερό
H2O
αρ. διαλ. Η2SO4
Καύση C + O2 = CO2Αραίωση
Η2SO4 με Η2Ο
![Page 48: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/48.jpg)
Στάδιο 4: Εξισώσεις ισοζυγίων μάζαςΣτάδιο 5: Άλλες εξισώσεις (ρεύματα
διεργασίας)Στάδιο 6: Αντικατάσταση μεταβλητών
και εκτέλεση υπολογισμών
Προσοχή!!!!! αφού στο το ολικό ισοζύγιο μάζας των
μπορεί να γίνει και σε kmoles και σε kg. Στο συγκεκριμένο
πρόβλημα διευκολύνει να γίνει σε Kg
Iσοζύγιο μάζας συστατικών σε kg/h:
Η2SO4: m1Η2SO4 + m2Η2SO4 + mgenΗ2SO4 = m3Η2SO4 + mconsΗ2SO4
Η2O: m1Η2O + m2Η2O + mgenΗ2O = m3Η2O + mconsΗ2O
S1: π. διαλ. Η2SO4
M1 50,00 kg/h m1H2SO4 ? kg/h m1H2O ? kg/h S3:
xw3H2SO4 0,35 Μ3 ? kg/h m3H2SO4 ? kg/h
S2: m3H2O ? kg/h M2 15,00 kg/h xw3H2SO4 ?
m2H2O 15,00 kg/h xw3H2O ?
Aραίωση θειικού οξέος με νερό
H2O
αρ. διαλ. Η2SO4
Καύση C + O2 = CO2Αραίωση
Η2SO4 με Η2Ο
mgenΗ2SO4 = mconsΗ2SO4 = mconsΗ2SO4 = mgenΗ2O m2Η2SO4 = 0
m1Η2SO4 = m3Η2SO4
m3Η2O = m1Η2O + m2Η2O
Προσοχή !!!!! Στις μηδενικές μεταβλητές
Επομένως οι εξισώσεις απλοποιούνται στις:
Ισοζύγιο Μάζας Χημικής Ένωσης: Αραίωση θειικού οξέος
![Page 49: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/49.jpg)
Στάδιο 5: Άλλες εξισώσεις (ρεύματα διεργασίας)
Στάδιο 6: Αντικατάσταση μεταβλητών και εκτέλεση υπολογισμών
Iσοζύγιο μάζας συστατικών σε kg/h:
S1: π. διαλ. Η2SO4
M1 50,00 kg/h m1H2SO4 ? kg/h m1H2O ? kg/h S3:
xw3H2SO4 0,35 Μ3 ? kg/h m3H2SO4 ? kg/h
S2: m3H2O ? kg/h M2 15,00 kg/h xw3H2SO4 ?
m2H2O 15,00 kg/h xw3H2O ?
Aραίωση θειικού οξέος με νερό
H2O
αρ. διαλ. Η2SO4
Καύση C + O2 = CO2Αραίωση
Η2SO4 με Η2Ο
m1Η2SO4 = m3Η2SO4
m3Η2O = m1Η2O + m2Η2O
Στο παραπάνω σύστημα γνωρίζω μόνο τη μεταβλητή m3H2O, επομένως δεν μπορώ να υπολογίσω τις άλλες μεταβλητές
Άρα χρειάζομαι και άλλες εξισώσεις >>>>> Στάδιο 5
Ισοζύγιο Μάζας Χημικής Ένωσης: Αραίωση θειικού οξέος
M1 x xw1H2SO4
1 – xwH2SO4
M1 x xw1H2O
m3H2SO4 + m3H2O
M3 / m3H2SO4
M3 / m3H2O
m1H2SO4 =xw1H2O =m1H2O =M3 =xw3H2SO4 =xw3H2O =
![Page 50: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/50.jpg)
Ισοζύγιο Μάζας Χημικής Ένωσης: Αραίωση θειικού οξέος
Μεταβλητήm1Η2SO4 = M1 x xw1H2SO4 = 50,0 kg π.Η2SO4 /h x 0,35 = 17,50 kg H2SO4/hxw1H2O = 1 - xw1H2SO4 = 1,0 - 0,35 = 0,65m1Η2O = M1 x xw1H2O = 50,0 kg π.Η2SO4 /h x 0,65 = 32,50 kg H2O/hm1Η2SO4 = m3Η2SO4 = 17,5 kg H2SO4/h = 17,50 kg H2SO4/hm3Η2O = m1Η2O + m2Η2O = 32,5 kg H2O/h + 15,00 kg H2O/h = 47,50 kg H2O/hM3 = m3Η2SO4 + m3Η2O = 17,5 kg H2SO4/h + 47,50 kg H2O/h = 65,00 kg αρ.H2SO4/hxw3H2SO4 = M3 / m3Η2SO4 = 47,5 kg H2SO4/h / 65,00 kg αρ.H2SO4/h = 0,73xw3H2O = M3 / m3Η2O = 17,5 kg H2O/h / 65,00 kg αρ.H2SO4/h = 0,27
Εξίσωση Απόδοση τιμών στις μεταβλητές Αποτέλεσμα
Στάδιο 6: Αντικατάσταση μεταβλητών και εκτέλεση υπολογισμών
S1: π. διαλ. Η2SO4
M1 50,00 kg/h m1H2SO4 ? kg/h m1H2O ? kg/h S3:
xw3H2SO4 0,35 Μ3 ? kg/h m3H2SO4 ? kg/h
S2: m3H2O ? kg/h M2 15,00 kg/h xw3H2SO4 ?
m2H2O 15,00 kg/h xw3H2O ?
Aραίωση θειικού οξέος με νερό
H2O
αρ. διαλ. Η2SO4
Καύση C + O2 = CO2Αραίωση
Η2SO4 με Η2Ο
![Page 51: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/51.jpg)
Ισοζύγιο Μάζας Χημικής Ένωσης: Παράδειγμα
Πύρωση ασβεστόλιθου ισοζύγιο μάζας με χημική αντίδραση σε kmol/h
250 kg/h ασβεστόλιθου, περιεκτικότητας 100% σε ανθρακικό ασβέστιο (CaCO3(s)), διασπώνται με πύρωση σε οξείδιο του ασβεστίου (CaO(s)) και διοξείδιο του άνθρακα (CO2(g)). Υπολογίστε τις ποσότητες των υλικών που παράγονται αν η διάσπαση του ασβεστόλιθου δεν είναι πλήρης και το 5% ασβεστόλιθου παραμένει αδιάσπαστο.
Δεδομένα: Μ1 = 250 kg CaCO3/h, x3CaCO3 = 0.08, MΒCaCO3 = 100.09 kg/kmol, MΒCaO = 56.08 kg/kmol, MΒCO2 = 44.01 kg/kmol
![Page 52: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/52.jpg)
Σταδιο 1: Κατασκευή διαγράμματος Ροής
Στάδιο 2:Αρίθμηση ρευμάτωνΣτάδιο 3:Σημείωση όλων των διαθέσιμων
στοιχείων στο διάγραμμα
Ισοζύγιο Μάζας Χημικής Ένωσης: Πύρωση ασβεστόλιθου
S2: Διοξ. Άνθρακα
m2CO2 ? kg/h
S1:
Μ1 250 kg/hm1CaCO3 ? kg/h
S3: Οξ. Ασβεστίου
Μ3 ? kg/h m3CaCO3 ? kg/h
m3CaO ? kg/h x3CaCO3 0,08
x3CaO ?
Ασβεστόλιθος
Πύρωση ασβεστολίθου
Καύση C + O2 = CO2
Πύρωση CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(g)
![Page 53: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/53.jpg)
Στάδιο 4: Εξισώσεις ισοζυγίων μάζας Προσοχή!!!!! αφού στο σύστημα συμβαίνει χημική
αντίδραση το ισοζύγιο μάζας των συστατικών συμφέρει να
γίνει σε kmoles/hIσοζύγιο μάζας συστατικών σε kmol/h:
Προσοχή !!!!! Στις μηδενικές μεταβλητές
Επομένως οι εξισώσεις απλοποιούνται στις:
Ισοζύγιο Μάζας Χημικής Ένωσης: Πύρωση ασβεστόλιθου
Τα συστατικά που εμπλέκονται στο πρόβλημα είναι τρία το CaCO3(s), CaO(s) και το CO2(g).
CaCO3(s): f1CaCO3 + fgenCaCO3 = f2CaCO3 + f3CaCO3 + fconsCaCO3
CaO(s): f1CaO + fgenCaO = f2CaO + f3CaO + fconsCaO
CO2(g): f1CO2 + fgenCO2 = f2CO2 + f3CO2 + fconsCO2
fgenCaCO3 = fconsCaO = fconsCO2 = 0f1CaO = f1CO2 = f2CaCO3 = f2CaO = f2CO2 = f3CO2 = 0
f1CaCO3 = fconsCaCO3
fgenCaO = f3CaO
fgenCO2 = f2CO2
![Page 54: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/54.jpg)
Στάδιο 5: Άλλες εξισώσεις (ρεύματα διεργασίας)
Iσοζύγιο μάζας συστατικών σε kg/h:
Στο παραπάνω σύστημα δεν γνωρίζω καμμία μεταβλητή επομένως
χρειάζομαι και άλλες εξισώσεις >>>>> Στάδιο 5
m1CaCO3 x MBCaCO3
f2CO2 x MBCO2
f3CaO x MBCaO
f3CaCO3 x MBCaCO3
m3CaCO3 + m3CaO
m3CaCO3 / M3
m3CaO / M3
f1CaCO3 =m2CO2 =m3CaO =m3CaCO3 =M3 =x3CaCO3 =x3CaO =
f1CaCO3 = fconsCaCO3
fgenCaO = f3CaO
fgenCO2 = f2CO2
f1CaCO3 = m1CaCO3 / ΜΒCaCO3
m2CO2 = f2CO2 x ΜΒCO2
m3CaO = f2CaO x ΜΒCaO
m3CaCO3 = f3CaCO3 x ΜΒCaCO3
M3 = m3CaCO3 + m3CaO
x3CaCO3 = m3CaCO3 / M3
x3CaO = m3CaO / M3
f3CaCO3 = f1CaCO3 x xCaCO3
O ασβεστόλιθος δεν αντιδρά πλήρως, άρα
Ισοζύγιο Μάζας Χημικής Ένωσης: Πύρωση ασβεστόλιθου
![Page 55: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/55.jpg)
Στάδιο 5: Eξισώσεις από την χημική αντίδραση
Iσοζύγιο μάζας συστατικών σε kmol/h:
fconsCaCO3 = fgenCaO
fconsCaCO3 = fgenCO2
f1CaCO3 = fconsCaCO3
fgenCaO = f3CaO
fgenCO2 = f2CO2
f1CaCO3 = m1CaCO3 / ΜΒCaCO3
m2CO2 = f2CO2 x ΜΒCO2
m3CaO = f2CaO x ΜΒCaO
m3CaCO3 = f3CaCO3 x ΜΒCaCO3
M3 = m3CaCO3 + m3CaO
x3CaCO3 = m3CaCO3 / M3
x3CaO = m3CaO / M3
f3CaCO3 = f1CaCO3 x xCaCO3
Ισοζύγιο Μάζας Χημικής Ένωσης: Πύρωση ασβεστόλιθου
Eξισώσεις από τα ρεύματα της διεργασίας
Eξισώσεις από τους περιορισμούς του προβλήματος
![Page 56: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/56.jpg)
Iσοζύγιο μάζας συστατικών σε kmol/h:
f1CaCO3 = fconsCaCO3
fgenCaO = f3CaO
fgenCO2 = f2CO2
f1CaCO3 = m1CaCO3 / ΜΒCaCO3
m2CO2 = f2CO2 x ΜΒCO2
m3CaO = f2CaO x ΜΒCaO
m3CaCO3 = f3CaCO3 x ΜΒCaCO3
M3 = m3CaCO3 + m3CaO
x3CaCO3 = m3CaCO3 / M3
x3CaO = m3CaO / M3
f3CaCO3 = f1CaCO3 x xCaCO3
Εξισώσεις από τα ρεύματα της διεργασίας
Εξισώσεις από τους περιορισμούς του προβλήματος
Ισοζύγιο Μάζας Χημικής Ένωσης: Πύρωση ασβεστόλιθου
fconsCaCO3 = fgenCaO
fconsCaCO3 = fgenCO2
Eξισώσεις από την χημική αντίδραση
![Page 57: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/57.jpg)
Μεταβλητή
f1CaCO3 = m1CaCO3 / ΜΒCaCO3 = 250,000 kg/h / 100,090 kg/kmol = 2,498 kmol/h
f3CaCO3 = f1CaCO3 x xCaCO3 = 2,498 kmol/h x 0,050 = 0,125 kmol/h
fConsCaCO3 = f1CaCO3 - f3CaCO3 = 2,498 kmol/h - 0,125 kmol/h = 2,373 kmol/h
fgenCaO = fconsCaCO3 = 2,373 kmol/h = 2,373 kmol/h
fgenCO2 = fconsCaCO3 = 2,373 kmol/h = 2,373 kmol/h
f3CaO = fgenCaO = 2,373 kmol/h = 2,373 kmol/h
f2CO2 = fgenCO2 = 2,373 kmol/h = 2,373 kmol/h
m2CO2 = f2CO2 x ΜΒCO2 = 2,373 kmol/h x 44,010 kg/kmol = 104,430 kg/h
m3CaO = f2CaO x ΜΒCaO = 2,373 kmol/h x 56,080 kg/kmol = 133,070 kg/h
m3CaCO3 = f3CaCO3 x ΜΒCaCO3 = 0,125 kmol/h x 100,090 kg/kmol = 12,500 kg/h
M3 = m3CaCO3 + m3CaO = 133,07 kg/h + 12,5 kg/h = 145,5702 kg/h
x3CaCO3 = m3CaCO3 / M3 = 12,5 kg/h / 145,5702 kg/h = 0,086
x3CaO = m3CaO / M3 = 133,07 kg/h / 145,5702 kg/h = 0,914
Eξίσωση Απόδοση Τιμών στις Μεταβλητές Αποτέλεσμα
Ισοζύγιο Μάζας Χημικής Ένωσης: Πύρωση ασβεστόλιθου
![Page 58: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/58.jpg)
Μεθοδολογία Επίλυσης Προβλημάτων
•Πλήρης κατανόηση του προβλήματος και των ζητούμενων από αυτό•Σύντομη καταγραφή των δεδομένων και των ζητούμενων ποσοτήτων•Συνοπτικό διάγραμμα ροής του προβλήματος που περιλαμβάνει την
διεργασία και στο οποίο σημειώνονται τα εισερχόμενα και εξερχόμενα ρεύματα, οι γνώστες και οι ζητούμενες ποσότητες των ρευμάτων
•Επιλογή μονάδας μάζας (mol ή kg) των υπολογισμών•Διατύπωση των πλήρων εξισώσεων ισοζυγίων των συστατικών,
εντοπισμός των μηδενικών μεταβλητών και τελική διατύπωση του απλοποιημένου συστήματος των εξισώσεων
•Διατύπωση των εξισώσεων που προκύπτουν από τη στοιχειομετρία των χημικών αντιδράσεων
•Διατύπωση των εξισώσεων που προκύπτουν από τους περιορισμούς του προβλήματος
•Διατύπωση των εξισώσεων που προκύπτουν από τις σχέσεις των συστατικών των ρευμάτων τις κατεργασίας ανάλογα με τις ανάγκες του προβλήματος
•Διαμόρφωση του τελικού συστήματος των εξισώσεων, απόδοση τιμών στις γνωστές μεταβλητές και επίλυση
![Page 59: Ισοζύγιο Μάζας](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062722/568138f0550346895da0a4b9/html5/thumbnails/59.jpg)
Μεθοδολογία Επίλυσης Προβλημάτων
1 Σχεδιάζουμε ένα απλοποιιημένο διάγραμμα ροής2 Αριθμούμε τα ρεύματα της διεργασίας3 Σημειώνουμε όλα τα διαθέσιμα στοιχεία και συστατικά στο διάγραμμα4 Εκλέγουμε μιά βάση γιά τους υπολογισμούς 1000 kg, 1 kmole5 Γράφουμε τις εξισώσεις των ισοζυγίων μάζας με βάση τα συστατικά (αριθμός εξισώσεων = αριθμό των συστατικών)6 Σημειώνουμε τις μεταβλητές που είναι μηδενικές και απλοποιούμε το σύστημα7 Σημειώνουμε τις μεταβλητές και τον συνολικό αριθμό τους8 Σημειώνουμε τις διδόμενες μεταβλητές9 Οι άγνωστες μεταβλητές είναι το σύνολο των μεταβλητών μείον τον αριθμό των διδόμενων μετααβλητών10 Βρίσκουμε τους βαθμούς ελευθερίας του συστήματος ΒΕ = Μ - Ε11 Αν ΒΕ=0 επιλύουμε το σύστημα12 Αν ΒΕ>0 προσθέτουμε τόσες εξίσώσεις από τα άλλα δεδομένα του προβλήματος όσοι και οι ΒΕ και επιλύουμε το σύστημα