化學工程過程概論/將資訊轉換為質量流

將資訊轉換為質量流 - 簡介

在任何系統中，某些引數都比其他引數更容易（通常容易得多）測量和/或控制。當您解決任何問題並嘗試使用質量平衡或其他任何方程式時，重要的是要認識到哪些資訊可以互相轉換。本節的目的是展示一些更常見的質量流量表達方式，主要是因為更容易，例如，測量速度而不是直接測量質量流量。

體積流量

體積流量是指在給定時間內，多少體積的氣體或液體溶液透過系統中固定點（通常是過程的入口或出口點）的關係。它表示為

{\dot {V}}_{n}{\dot {=}}{\frac {Volume}{time}}

在流 n 中

為什麼它們有用

體積流量可以使用流量計直接測量。它們對氣體特別有用，因為氣體的體積是使用狀態方程（在本書後面討論）計算摩爾流量所需的四個屬性之一。在另外三個屬性中，兩個（壓力和溫度）可以透過反應器設計和控制系統指定，而一個（壓縮性）嚴格地是任何氣體或氣體混合物的溫度和壓力的函式。

限制

體積流量不守恆。我們可以像任何其他事物一樣在體積上寫一個平衡，但“體積生成”項將是系統屬性的複雜函式。因此，如果給定了體積流量，我們應該在應用平衡方程式之前將其更改為質量（或摩爾）流量。

體積流量也不適合分解為各個組分，因為當我們談論體積時，我們通常指的是總溶液體積，而不是每個組分的體積（後者是熱力學的有用工具，但那是另一門完全不同的課程）。確實有一些東西是以體積分數測量的，但這相對不常見。

如何將體積流量轉換為質量流量

體積流量與質量流量透過一個相對容易測量的物理性質相關。由於 ${\dot {m}}{\dot {=}}mass/time$ 和 ${\dot {V}}{\dot {=}}volume/time$ ，我們需要具有 $mass/volume$ 單位的屬性才能將它們轉換。密度很好地滿足了這一目的！

{\dot {V}}_{n}*{\rho }_{i}={\dot {m}}_{n}

在流 n 中

“i”表示我們在這裡談論的是一個特定的流，因為每個流可能具有不同的密度、質量流量或體積流量。

速度

流體總速度是它在單位時間內沿系統（通常是管道）經過的橫向距離。流體的總速度與任何其他速度一樣，都具有

v_{n}={\frac {distance}{time}}

單位，在流 n 中

根據定義，流體的總速度與體積流量透過以下關係相關聯

{v}_{n}={\frac {{\dot {V}}_{n}}{A_{n}}}

在流 n 中

這將它與流體在某一點的速度區分開來（因為流體在管道的中心流速更快）。對於相對快的流動，或特別是在氣體流動的情況下，體積流速與瞬時流速大致相同。

為了本課程的目的，所有給出的速度都是體積流速，而不是瞬時流速。

為什麼它們有用

（體積）速度是有用的，因為就像體積流量一樣，它們相對容易測量。它們對於液體特別有用，因為它們在透過孔口或其他類似儀器時具有恆定的密度（因此在穩態下具有恆定的壓降）。這是使用這些儀器的設計方程式的必要先決條件。

限制

與體積流量一樣，速度不是守恆的。與體積流量一樣，速度會隨著氣體的溫度和壓力而變化，但對於液體，速度通常在具有恆定橫截面積的管道的長度上是恆定的。

此外，速度不能被分解成單個組分的流量，因為所有組分通常都以相同的速度流動。它們需要被轉換為可以被分解的東西（質量流量、摩爾流量或氣體的壓力）才能應用濃度。

如何將速度轉換為質量流量

為了將流體流的速度轉換為質量流量，您需要兩條資訊

管道的橫截面積。
流體的密度。

為了進行轉換，首先使用體積流速的定義將其轉換為體積流量

${\dot {V}}_{n}=v_{n}*A_{n}$

然後使用密度將體積流量轉換為質量流量。

${\dot {m}}_{n}={\dot {V}}_{n}*{\rho }_{n}$

這兩個方程的組合很有用

{\dot {m}}_{n}=v_{n}*{\rho }_{n}*A_{n}

在流 n 中

摩爾流量

摩爾流量的概念類似於質量流量的概念，它是每單位時間透過固定點的溶液（或混合物）的摩爾數

{\dot {n}}_{n}{\dot {=}}{\frac {moles}{time}}

在流 n 中

為什麼它們有用

摩爾流量主要是有用的，因為使用摩爾而不是質量可以使您能夠根據反應轉化和化學計量來編寫物料平衡。換句話說，當您使用摩爾平衡時，未知數要少得多，因為化學計量允許您將反應物和產物濃度的所有變化合併為一個變數。

限制

與質量不同，總摩爾數不守恆。總質量流量無論是否發生反應都是守恆的，但摩爾數則不然。例如，考慮氫氣和氧氣氣體之間的反應生成水

$H_{2}+{\frac {1}{2}}O_{2}\rightarrow H_{2}O$

該反應消耗 1.5 摩爾的反應物以產生每摩爾的產物，因此進入反應器的總摩爾數將大於離開反應器的摩爾數。

但是，由於反應體系中既不守恆質量也不守恆單個組分的摩爾數，因此最好使用摩爾數，以便可以利用化學計量，如後面所述。

摩爾流量也比質量流量不太實用，因為您不能直接測量摩爾數，但您可以測量事物的質量，然後使用摩爾流量將其轉換為摩爾數。

如何從摩爾流量更改為質量流量

摩爾流量和質量流量透過溶液的分子量（也稱為摩爾質量）相關聯。為了轉換整個溶液的質量流量和摩爾流量，我們需要知道溶液的平均分子量。這可以透過使用以下公式計算組分的分子量和摩爾分數來計算

${\bar {MW}}_{n}=[\Sigma ({MW}_{i}*y_{i})]_{n}$

其中，i 是組分的索引，n 是物流編號。 $y_{i}$ 代表每個組分的摩爾分數（這將在後面定義和推導）。

一旦知道了這個，就可以像使用單一組分的摩爾質量一樣，來計算總摩爾流量。

{\dot {m}}_{n}={\dot {n}}_{n}*{\bar {MW}}_{n}

在物流 n 中