24/09/53

1

88..5 5 Mixing and SolutionMixing and Solution

8.5 a Heats of Solution and Mixing (ความรอนของการละลายและการผสม)1 mole of solute

(ตัวถูกละลาย 1 โมล)n mole of solvent

(ตัวทําละลาย n โมล)

คําถาม ทําไมผมใชคําวา 1 mole กับ n mole ?

ถาตัวถูกละลายเปน gas หรือ ของแข็ง เรียกวา heat of solutionถาตัวถูกละลายเปนของเหลว เรียกวา heat of mixing

88..5 5 Mixing and SolutionMixing and Solution

8.5 a Heats of Solution and Mixing (ความรอนของการละลายและการผสม)1 mole of NaOH n liter of H2O

คําถามเอามือไปจับที่ Beaker จะรูสึกรอน/เย็น/เทาเดิม ?

ในกรณีนี้ ตัวถูกละลายเปนของแข็ง จึงเรียกวา heat of solution

เทาเดม ?

24/09/53

2

= H ของสารละลาย – H ตัวถูกละลาย – H น้ํา

1 mole of solute ละลายใน n (r) โมลของ liquid solvent

24/09/53

3

ขอสังเกต จะมีเครื่องหมายติดลบ

24/09/53

4

8.5 b Balances on Dissolution and Mixing Processesเมื่อมีการทําสมดุลพลังงานในกระบวนการที่เกี่ยวกับ Forming, concentrating, or diluting

a solution ดังนั้นแลว heat of mixing and solution ไมสามารถตัดทิ้งได

ขั้นตอนการคํานวณ1 คํานวณ heat of mixing and solution ที่สภาวะอางอิง (25C, 18C) จากตาราง2 จากนั้นคํานวณ enthalpy change ของสารละลายโดยใช heat capacityแต Cp ตองเปนของสารละลายผสม

24/09/53

5

H2O บริสุทธ์ิ

คําถามเอามือไปจับที่ Absorption Unit จะรูสึกรอน/เย็น/เทาเดิม ?

HCl(aq) 20%wtHCl(g)

ถารอนตองทําไงถาเย็นตองทําไง

Basis : หลักอางอิงในการคํานวณ12

1000 kg/hr ของ HCl(aq)คํานวณ r เพื่อไปเปดตารางHCl(aq) 20%wt ความหมายคือH2O = 80 kg, มี HCl(g)=20kgสมมติฐาน : HCl ดดซับหมด

H2O บริสุทธ์ิ หรือ HCl(aq) =100 kg มี HCl(g)=20kgทําการเทียบบัญญัตยางHCl(aq) =1000 kg มี HCl(g)=200 kgสรุปวามี H2O= 800 kg

สมมุตฐาน : HCl ดูดซบหมด

HCl(aq) 20%wtHCl(g) อยาลืมนะวาโจทยตองการ

รูวา จะตองดึงความรอนออก หรือใหความรอนเขาไป เพื่อใหได T=40C

24/09/53

6

H2O = 800 kg = 800/18 = 44.44 k moleHCl = 200 kg = 200/(36.5) = 5.48 k moler = mole of solvent / mole of soluter = 44 44/5 48 = 8 11r 44.44/5.48 8.11

H2O บริสุทธ์ิ สมมุติฐาน : HCl ดูดซับหมด H2O เขา @ 25CΔH=0 kJ/mole

HCl(aq) 20%wtHCl(g)

ΔH 0 kJ/mole

24/09/53

7

H2O บริสุทธ์ิ

ΔH=0 kJ/mole

HCl(aq) 20%wtHCl(g)

เนื่องจาก ใหคาเปน ลบ แสดงวาจะตองดึงความรอนออกจากหอ เพื่อรักษาใหอุณหภูมิคงที่ 40C หรือถาไมดึงออกจะมีความรอนมากขึ้น ทําใหการละลายของแกส HCl ไดนอยกวา 20%wt ตามที่ตองการ

สมมุติฐาน : HCl ดูดซับหมดุ ฐ ู H2O เขา @ 25C

สมมุติใหไมมีการระเหยออกของน้ํา

24/09/53

8

8.5 c Enthalpy-concentration charts – single liquid phase จากตัวอยางที่ผานมา ถาไมใชแผนภูมิความเขมขน ถาตองการูทราบ การเปลี่ยนแปลง H ของสารละลายจาก Tref ไปที่ T ใดๆ ก็จะทําไดโดยการ integrate

แตปญหาคือ คา Cp ของป ํ ี่สารละลาย อาจเปนการคํานวณที

ยุงยาก รวมทั้งการเขียน path และการ integrate

Example : ตองการคํานวณหา Specific enthalpy (Btu/lbm) of a 40% wt of สลล H2SO4 at 120F

-55 Btu/lbm

24/09/53

9

คํานวณ r เพื่อไปเปดตาราง H2SO4(aq) 40%wt ความหมายคือBasis : 1 lbm of solutionH2SO4 = 0.4 lbm, มี H2O(l)=0.6 lbm

H2O @ T=32, H=0H2SO4 @ 77 FH2O @ 77 F

H2SO4 @ 120 FH2O @ 120 F

24/09/53

10

Example 8.5-2 Concentrate of an aqueous H2SO4 Solution

H2SO4 @ T=60F

H2O @ T=180F….%wt

ํ ป ิ ี่ ใ ื่ ํ ั

5% wt

H2SO4 @ T=……F40% wt

F=1000 lbm/hr

จงคํานวณ ปริมาณ Q ทีตองใชเพือทําการ concentrate กรดดังกลาว 1000 lbm/hr

Basis : หลักอางอิงในการคํานวณ1 1000 lbm of feed solution23Assumption : สมมุติฐาน1 H2O ที่ระเหยไมมี H2SO4 เปนองคประกอบ2 สลล H2SO4 ในกระแสออก มี T=180F34

24/09/53

11

พิจารณา กระแสปอน (Feed) 1000 lbm of H2SO4 Solution per hourเขมขน 5 % wt => mass fraction = 0.05 at T = 60 F

H2O @ T=180F

F=1000 lbm/hr

H2SO4 @ T=180F40% wt

Overall Balance

H2SO4 Balance

-17 Btu/lbm

+10 Btu/lbm

24/09/53

12

H=2836 kJ/kg

Q 1059 225 Bt /hQ=1059,225 Btu/hr

ดังนั้นตองใสพลังงานเขาไป เพราะได Q เปนบวก

24/09/53

13

Adiabatic Mixing Process m2 mass of pure H2SO4

m1 mass of pure H2O m1+m2 =m3

Total mass of mixture

24/09/53

14

Adiabatic Mixing Process m2 mass of pure H2SO4 @T=32 F

m1 mass of pure H2O@T = 80 F m1+m2 =m3

Total mass of mixture

ของผสมมี T>200Fมี H= 0 Btu/lbm

24/09/53

15

Adiabatic Mixing Process x2 mass fraction of H2SO4 @ H2 or T2

x1 mass fraction of H2OSO4 @ H1 or T1 mass of mixture

ใชสัญลักษ x แทน mass fraction นะครับ

ถาหา mass fraction ของ mixture ได

จะบอกไดวา T=?, H=?

24/09/53

16

Example: Adiabatic Mixing Process 80% wt of aq H2SO4 @ T=60 F

1. If 250 g H2O is mixed with the acid, what the final sol temperature will be?T = 100 F อานไดจากกราฟเลบ

Pure H2Om1=250 g @ 60F Solution

2. What is the maximum attainable solution temperature and how much water must be added to achieve it?

T = 150 F, x3 = 0.55, m H2O = 45.5 g

24/09/53

17

Basis: 100 g of aq H2SO4

Mixture B ประกอบดวย H2SO4 = 80 gH2O = 20 g

Mixture A ประกอบดวย H2O = 250 g

Total mass = 350 gx3 = 80/350 = 0.23

m total = 145.5

8.5 Using enthalpy – Concentration charts for vapor – liquid equilibrium calculations2 component system เชน เหลา ประกอบดวย แอลกอฮอลละลายในน้ํา

จาก Gibb-Phase rule; No of degree of freedom = C – P + 2

= 2 – 2 + 2 = 2

24/09/53

18

Tie line

ิ ี ํวิธีทําBasis : มวลไอ + มวลของเหลว = 1 lbm

โจทยบอก มวลของเหลวเทากับ 95% = 0.95 lbm แสดงวามีมวลไอเทากับ 5 % = 0.05 lbmที่สมดุล และ T = 160 F จะไดวา

24/09/53

19

Tie lineในเฟสของเหลว ปกด NH3 = 0.8%, H2O = 92%ในเฟสของแกส ปกด ไอ NH3 = 64%, ไไอ H2O = 36%

Lever Rule : กฎคานงัด

24/09/53

20

(1)

(2)

แทน (1) ในสมการ (2)xF(L+V) = xLL + xVVxF(L V) xLL xVVxFL- xLL = xVV- xFV(xF- xL)L =( xV - xF)V

24/09/53

21

F=100 lbm/hr

V=……… lbm/hrNH3 = 89%wt

F=100 lbm/hrNH3 = 30%wt

Flash Tank

คําถาม1. Determine the temperature of the stream leaving the tank2. Mass fraction in liquid product3. Flow rate of liquid, and Flow rate of vapor4. Q=?

Basis :1. 100 lbm /hr of feed stream2. ..33. ..4. ..Assumption :1.2.3.4.

24/09/53

22

F=100 lbm/hr

V=……… lbm/hrNH3 = 89%wt

F=100 lbm/hrNH3 = 30%wt

Flash Tank

L=……… lbm/hrNH3 = …….%wt

O ll b lOverall balance100 = V + L

NH3 Balance (0.3)(100) = (0.89)V + xLL

จุด A

24/09/53

23

Tie lineในเฟสของเหลว ปกด xL = 0.185=18.5% ในเฟสของแกส ปกด xV = 0.89=89%

F=100 lbm/hr

V=……… lbm/hrNH3 = 89%wt

F=100 lbm/hrNH3 = 30%wt

Flash TankT=120F

L=……… lbm/hrNH3 = …….%wt

O ll b lOverall balance100 = V + L

NH3 Balance (0.3)(100) = (0.89)V + (0.2)L(0.3)(100) = (0.89)V + (0.185)(100-V)

24/09/53

24

ตัวอยาง ในระบบเพิ่มความเขมขนของสารอยางตอเนื่อง กรด H2SO4 เจือจาง 60% ถูกทําใหเขมขนเปน 95% ที่ T=70F ไอน้ําและกรดเขมขนออกจากระบบที่จุดเดือดของกรดเขมขน จงประมาณความรอนที่ตองใชเพื่อใหกรดเจือจางปริมาณ 1000 lbm เขมขนขึ้น

จบบทที่ 8