化学工程过程概论/将信息转换为质量流

将信息转换为质量流 - 简介

在任何系统中，某些参数都比其他参数更容易（通常容易得多）测量和/或控制。当您解决任何问题并尝试使用质量平衡或其他任何方程式时，重要的是要认识到哪些信息可以互相转换。本节的目的是展示一些更常见的质量流量表达方式，主要是因为更容易，例如，测量速度而不是直接测量质量流量。

体积流量

体积流量是指在给定时间内，多少体积的气体或液体溶液通过系统中固定点（通常是过程的入口或出口点）的关系。它表示为

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

在流 n 中

为什么它们有用

体积流量可以使用流量计直接测量。它们对气体特别有用，因为气体的体积是使用状态方程（在本书后面讨论）计算摩尔流量所需的四个属性之一。在另外三个属性中，两个（压力和温度）可以通过反应器设计和控制系统指定，而一个（压缩性）严格地是任何气体或气体混合物的温度和压力的函数。

限制

体积流量不守恒。我们可以像任何其他事物一样在体积上写一个平衡，但“体积生成”项将是系统属性的复杂函数。因此，如果给定了体积流量，我们应该在应用平衡方程式之前将其更改为质量（或摩尔）流量。

体积流量也不适合分解为各个组分，因为当我们谈论体积时，我们通常指的是总溶液体积，而不是每个组分的体积（后者是热力学的有用工具，但那是另一门完全不同的课程）。确实有一些东西是以体积分数测量的，但这相对不常见。

如何将体积流量转换为质量流量

体积流量与质量流量通过一个相对容易测量的物理性质相关。由于 ${\dot {m}}{\dot {=}}mass/time$ 和 ${\dot {V}}{\dot {=}}volume/time$ ，我们需要具有 $mass/volume$ 单位的属性才能将它们转换。密度很好地满足了这一目的！

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

在流 n 中

“i”表示我们在这里谈论的是一个特定的流，因为每个流可能具有不同的密度、质量流量或体积流量。

速度

流体总速度是它在单位时间内沿系统（通常是管道）经过的横向距离。流体的总速度与任何其他速度一样，都具有

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

单位，在流 n 中

根据定义，流体的总速度与体积流量通过以下关系相关联

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

在流 n 中

这将它与流体在某一点的速度区分开来（因为流体在管道的中心流速更快）。对于相对快的流动，或特别是在气体流动的情况下，体积流速与瞬时流速大致相同。

为了本课程的目的，所有给出的速度都是体积流速，而不是瞬时流速。

为什么它们有用

（体积）速度是有用的，因为就像体积流量一样，它们相对容易测量。它们对于液体特别有用，因为它们在通过孔口或其他类似仪器时具有恒定的密度（因此在稳态下具有恒定的压降）。这是使用这些仪器的设计方程式的必要先决条件。

限制

与体积流量一样，速度不是守恒的。与体积流量一样，速度会随着气体的温度和压力而变化，但对于液体，速度通常在具有恒定横截面积的管道的长度上是恒定的。

此外，速度不能被分解成单个组分的流量，因为所有组分通常都以相同的速度流动。它们需要被转换为可以被分解的东西（质量流量、摩尔流量或气体的压力）才能应用浓度。

如何将速度转换为质量流量

为了将流体流的速度转换为质量流量，您需要两条信息

管道的横截面积。
流体的密度。

为了进行转换，首先使用体积流速的定义将其转换为体积流量

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

然后使用密度将体积流量转换为质量流量。

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

这两个方程的组合很有用

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

在流 n 中

摩尔流量

摩尔流量的概念类似于质量流量的概念，它是每单位时间通过固定点的溶液（或混合物）的摩尔数

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

在流 n 中

为什么它们有用

摩尔流量主要是有用的，因为使用摩尔而不是质量可以使您能够根据反应转化和化学计量来编写物料平衡。换句话说，当您使用摩尔平衡时，未知数要少得多，因为化学计量允许您将反应物和产物浓度的所有变化合并为一个变量。

限制

与质量不同，总摩尔数不守恒。总质量流量无论是否发生反应都是守恒的，但摩尔数则不然。例如，考虑氢气和氧气气体之间的反应生成水

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

该反应消耗 1.5 摩尔的反应物以产生每摩尔的产物，因此进入反应器的总摩尔数将大于离开反应器的摩尔数。

但是，由于反应体系中既不守恒质量也不守恒单个组分的摩尔数，因此最好使用摩尔数，以便可以利用化学计量，如后面所述。

摩尔流量也比质量流量不太实用，因为您不能直接测量摩尔数，但您可以测量事物的质量，然后使用摩尔流量将其转换为摩尔数。

如何从摩尔流量更改为质量流量

摩尔流量和质量流量通过溶液的分子量（也称为摩尔质量）相关联。为了转换整个溶液的质量流量和摩尔流量，我们需要知道溶液的平均分子量。这可以通过使用以下公式计算组分的分子量和摩尔分数来计算

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

其中，i 是组分的索引，n 是物流编号。 $y_{i}$ 代表每个组分的摩尔分数（这将在后面定义和推导）。

一旦知道了这个，就可以像使用单一组分的摩尔质量一样，来计算总摩尔流量。

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

在物流 n 中