Chemical Process Calculations (CH 3003) complete notes of all units in Hindi & English

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 UNIT 1

1. Introduction (परिचय)

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1.1 Basics of Unit Operations and Unit Processes (यूनिट ऑपरेशन्स और यूनिट प्रोसेसस का आधार)

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Unit Operations (यूनिट ऑपरेशन्स):

• Unit operations are the basic steps in a process where physical changes occur, and no chemical reactions are involved.

• Examples:

• Filtration: Separation of solids from liquids or gases.

• Distillation: Separation of components based on their boiling points.

• Crushing: Reducing the size of solid materials.

यूनिट ऑपरेशन्स:

• यूनिट ऑपरेशन्स वे बुनियादी कदम हैं जिनमें भौतिक परिवर्तन होते हैं, और रासायनिक प्रतिक्रियाएं नहीं होतीं।

• उदाहरण:

• फिल्टरेशन: ठोस पदार्थों को तरल या गैस से अलग करना।

• डिस्टिलेशन: वाष्पनांक के आधार पर घटकों का पृथक्करण।

• क्रशिंग: ठोस पदार्थों के आकार को छोटा करना।

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Unit Processes (यूनिट प्रोसेसस):

• Unit processes involve chemical reactions where raw materials are converted into desired products through chemical transformations.

• Examples:

• Oxidation: A chemical reaction where a substance loses electrons (e.g., burning of fuel).

• Hydrogenation: Adding hydrogen to unsaturated compounds (e.g., converting vegetable oil to ghee).

यूनिट प्रोसेसस:

• यूनिट प्रोसेसस वे रासायनिक प्रक्रियाएं हैं जिनमें रासायनिक प्रतिक्रिया होती है, जिससे कच्चे माल को उत्पाद में बदला जाता है।

• उदाहरण:

• ऑक्सीकरण: एक रासायनिक प्रतिक्रिया जिसमें कोई पदार्थ इलेक्ट्रॉनों को खोता है (जैसे, ईंधन जलाना)।

• हाइड्रोजनशन: हाइड्रोजन को असंतृप्त यौगिकों में जोड़ना (जैसे, वनस्पति तेल को घी में बदलना)।

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Main Unit Operations (मुख्य यूनिट ऑपरेशन्स):

1. Heat Transfer (हीट ट्रांसफर): Processes like heating or cooling (e.g., boiling, condensation).

2. Mass Transfer (मास ट्रांसफर): Movement of mass between phases (e.g., evaporation).

3. Fluid Flow (फ्लूइड फ्लो): Movement of fluids (e.g., pumping).

4. Separation (सेपरेशन): Removing components from mixtures (e.g., filtration).

मुख्य यूनिट ऑपरेशन्स:

1. हीट ट्रांसफर: उबालने, संक्षेपण जैसे प्रक्रियाएं (उदाहरण: उबालना, संघनन)।

2. मास ट्रांसफर: चरणों के बीच द्रव्यमान का स्थानांतरण (उदाहरण: वाष्पन)।

3. फ्लूइड फ्लो: तरल पदार्थों की गति (उदाहरण: पंपिंग)।

4. सेपरेशन: मिश्रणों से घटकों को हटाना (उदाहरण: फिल्टरेशन)।

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Main Unit Processes (मुख्य यूनिट प्रोसेसस):

1. Reactions (रिएक्शन): Chemical reactions occurring in reactors (e.g., combustion).

2. Extraction (एक्सट्रैक्शन): Removing specific components from mixtures using chemical solvents (e.g., solvent extraction).

3. Polymerization (पॉलिमराइजेशन): Formation of polymers from monomers (e.g., plastic production).

मुख्य यूनिट प्रोसेसस:

1. रिएक्शन: रिएक्टर्स में रासायनिक प्रतिक्रियाएं (उदाहरण: दहन)।

2. एक्सट्रैक्शन: रासायनिक घोलकों का उपयोग करके मिश्रणों से विशिष्ट घटकों को निकालना (उदाहरण: घोलनशीलता का प्रयोग)।

3. पॉलिमराइजेशन: मोनोमरों से पॉलिमर बनाना (उदाहरण: प्लास्टिक उत्पादन)।

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1.2 Units and Dimensions (यूनिट्स और डाइमेंशन्स)

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Units (यूनिट्स):

• Units are standard quantities used to measure physical properties like length, mass, time, etc.

• Base Units (मूल यूनिट्स): Fundamental units which can't be defined in terms of other units. There are seven base units in the SI system:

• Meter (m) for length

• Kilogram (kg) for mass

• Second (s) for time

• Ampere (A) for electric current

• Kelvin (K) for temperature

• Mole (mol) for the amount of substance

• Candela (cd) for luminous intensity

यूनिट्स:

• यूनिट्स वे मानक मात्राएं हैं जिनका उपयोग भौतिक गुणों को मापने के लिए किया जाता है जैसे लंबाई, द्रव्यमान, समय आदि।

• मूल यूनिट्स: वे बुनियादी यूनिट्स जो अन्य यूनिट्स से परिभाषित नहीं की जा सकतीं। SI प्रणाली में सात मूल यूनिट्स होती हैं:

• मीटर (m) - लंबाई के लिए

• किलोग्राम (kg) - द्रव्यमान के लिए

• सेकंड (s) - समय के लिए

• एम्पीयर (A) - विद्युत धारा के लिए

• केल्विन (K) - तापमान के लिए

• मोल (mol) - पदार्थ की मात्रा के लिए

• कैंडेला (cd) - प्रकाशीय तीव्रता के लिए

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Derived Units (व्युत्पन्न यूनिट्स):

• Derived units are formed from the combination of base units to measure other quantities.

• Example:

• Velocity (m/s) = Meter per second (derived from length and time)

• Force (Newton, N) = kg·m/s² (derived from mass, length, and time)

व्युत्पन्न यूनिट्स:

• व्युत्पन्न यूनिट्स वे यूनिट्स होती हैं जो मूल यूनिट्स के संयोजन से बनाई जाती हैं और अन्य मात्राओं को मापने के लिए इस्तेमाल होती हैं।

• उदाहरण:

• वेग (m/s) = मीटर प्रति सेकंड (लंबाई और समय से व्युत्पन्न)

• बल (न्यूटन, N) = kg·m/s² (द्रव्यमान, लंबाई, और समय से व्युत्पन्न)

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Dimensions (आयाम):

• Dimensions represent the fundamental quantities used to describe physical quantities like mass (M), length (L), and time (T).

• Example:

• Force (F) has dimensions: [F] = MLT⁻² (Mass × Length × Time⁻²)

आयाम:

• आयाम वे बुनियादी मात्राएं होती हैं जो भौतिक मात्राओं का वर्णन करने के लिए उपयोग की जाती हैं जैसे द्रव्यमान (M), लंबाई (L), समय (T) आदि।

• उदाहरण:

• बल (F) का आयाम: [F] = MLT⁻² (द्रव्यमान × लंबाई × समय⁻²)

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1.3 Conversion of Units (यूनिट्स का परिवर्तन)

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Unit Conversion (यूनिट का परिवर्तन):

• Conversion of Units is important when different measurement systems use different units. It allows us to compare or calculate in compatible units.

• Example:

• 1 meter = 100 centimeters

• 1 kilogram = 1000 grams

• 1 hour = 60 minutes

• 1 day = 24 hours

यूनिट्स का परिवर्तन:

• यूनिट्स का परिवर्तन तब जरूरी होता है जब विभिन्न माप प्रणालियाँ अलग-अलग यूनिट्स का उपयोग करती हैं। यह हमें संगत यूनिट्स में तुलना या गणना करने की अनुमति देता है।

• उदाहरण:

• 1 मीटर = 100 सेंटीमीटर

• 1 किलोग्राम = 1000 ग्राम

• 1 घंटा = 60 मिनट

• 1 दिन = 24 घंटे

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Important Conversion Factors (महत्वपूर्ण परिवर्तन कारक):

1. Length (लंबाई):

• 1 inch = 2.54 cm

• 1 foot = 0.3048 meters

2. Mass (द्रव्यमान):

• 1 pound = 0.453592 kilograms

3. Pressure (दबाव):

• 1 bar = 100,000 pascals

महत्वपूर्ण परिवर्तन कारक:

1. लंबाई:

• 1 इंच = 2.54 सेंटीमीटर

• 1 फीट = 0.3048 मीटर

2. द्रव्यमान:

• 1 पौंड = 0.453592 किलोग्राम

3. दबाव:

• 1 बार = 100,000 पास्कल

 UNIT 2

2. Chemical and Physical Principles (रासायनिक और भौतिक सिद्धांत)

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2.1 Stoichiometric Relations (स्टॉइकीओमेट्रिक संबंध)

• Stoichiometry is the study of the relationships between the amounts of reactants and products in a chemical reaction.

• Stoichiometric Relations are based on the balanced chemical equation, which tells us the proportion of reactants and products involved.

• Example: In the reaction:
  $\text{2H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{2H}_2\text{O}$

  • 2 moles of hydrogen react with 1 mole of oxygen to produce 2 moles of water.

• Key Concepts:

  • Mole Ratio (मोल अनुपात): The ratio of the amounts (in moles) of reactants and products in a balanced chemical equation.
  • Limiting Reactant (सीमित अभिक्रिया): The reactant that is completely consumed and limits the amount of product.
  • Excess Reactant (अधिक मात्रा में अभिक्रिया): The reactant that remains after the reaction is complete.

स्टॉइकीओमेट्री रासायनिक अभिक्रियाओं में अभिकारकों और उत्पादों की मात्राओं के बीच संबंधों का अध्ययन है। स्टॉइकीओमेट्रिक संबंधों को संतुलित रासायनिक समीकरण पर आधारित किया जाता है, जो हमें अभिकारकों और उत्पादों के अनुपात को बताता है।

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2.2 Methods of Expressing Composition (संयोजन व्यक्त करने के तरीके)

• Composition refers to the chemical makeup of a substance, including the elements and their proportions.

• There are different ways to express the composition of mixtures or compounds:

  1. Mole Fraction (मोल अंश):

     • The ratio of the number of moles of a component to the total number of moles in a mixture.
     • Formula:
       $\text{Mole Fraction (X)} = \frac{\text{moles of component}}{\text{total moles}}$

  2. Mass Fraction (द्रव्यमान अंश):

     • The ratio of the mass of a component to the total mass of the mixture.
     • Formula:
       $\text{Mass Fraction} = \frac{\text{mass of component}}{\text{total mass}}$

  3. Molarity (मोलरिटी):

     • The number of moles of solute per liter of solution.
     • Formula:
       $M = \frac{\text{moles of solute}}{\text{liters of solution}}$

  4. Molality (मोललिटी):

     • The number of moles of solute per kilogram of solvent.
     • Formula:
       $m = \frac{\text{moles of solute}}{\text{kilograms of solvent}}$

संयोजन किसी पदार्थ के रासायनिक निर्माण को दर्शाता है, जिसमें तत्व और उनके अनुपात होते हैं। मिश्रणों या यौगिकों के संयोजन को व्यक्त करने के विभिन्न तरीके होते हैं।

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2.3 Ideal Gas Law and Applications (आदर्श गैस का नियम और अनुप्रयोग)

• Ideal Gas Law (आदर्श गैस का नियम):

  • It relates the pressure, volume, and temperature of a gas to the number of moles of the gas.
  • The formula for the ideal gas law is:
    $PV = nRT$ where:
    • $P$ = pressure (in atmospheres, atm)
    • $V$ = volume (in liters, L)
    • $n$ = number of moles of gas
    • $R$ = ideal gas constant ($0.0821 \, \text{L}·\text{atm}/\text{mol}·\text{K}$)
    • $T$ = temperature (in Kelvin, K)

• Applications:

  1. Calculating Gas Properties: Using the ideal gas law, we can calculate properties such as pressure, volume, or temperature of a gas when other variables are known.
  2. Real Gas Behavior: The ideal gas law is an approximation. Real gases deviate from ideal behavior at high pressures or low temperatures. The Van der Waals equation is used to describe real gases.

आदर्श गैस का नियम गैस के दबाव, आयतन और तापमान को गैस के मोलों की संख्या से जोड़ता है। आदर्श गैस का नियम निम्नलिखित है:
$PV = nRT$

• अनुप्रयोग:
  1. गैस के गुण निकालना: आदर्श गैस के नियम का उपयोग गैस के दबाव, आयतन, या तापमान की गणना करने के लिए किया जा सकता है, जब अन्य मानक ज्ञात हों।
  2. वास्तविक गैस का व्यवहार: आदर्श गैस का नियम एक अनुमान होता है। वास्तविक गैसें उच्च दबावों या निम्न तापमान पर आदर्श व्यवहार से भटक जाती हैं। वास्तविक गैसों का वर्णन Van der Waals समीकरण से किया जाता है।

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2.4 Gaseous Mixtures (गैस मिश्रण)

• A gaseous mixture consists of two or more gases that are mixed together. Each gas in the mixture behaves independently.

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2.4.1 Partial Pressure (आंशिक दबाव)

• The partial pressure of a gas in a mixture is the pressure it would exert if it alone occupied the entire volume at the same temperature.
• Dalton's Law of Partial Pressures (डाल्टन का आंशिक दबाव का नियम) states that the total pressure exerted by a mixture of gases is the sum of the partial pressures of the individual gases.
  • Formula:
    $P_{\text{total}} = P_1 + P_2 + P_3 + \dots$ where $P_1, P_2, P_3$ are the partial pressures of gases 1, 2, and 3.

आंशिक दबाव गैस मिश्रण में प्रत्येक गैस का दबाव होता है, जो अगर वही गैस पूरे आयतन में और समान तापमान पर होती, तो वह दबाव उत्पन्न करती।
डाल्टन का आंशिक दबाव का नियम कहता है कि गैसों के मिश्रण द्वारा उत्पन्न कुल दबाव, व्यक्तिगत गैसों के आंशिक दबावों का योग होता है।

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2.4.2 Vapour Pressure (वाष्प दबाव)

• Vapour pressure is the pressure exerted by a gas in equilibrium with its liquid or solid phase at a given temperature.

• When a liquid is in a closed container, some molecules evaporate, and the vapor pressure increases until it reaches equilibrium. At equilibrium, the rate of evaporation equals the rate of condensation.

• Key Concepts:

  • Boiling Point (उबालने का तापमान): The temperature at which the vapor pressure of the liquid equals the external pressure.
  • Volatile Liquids (उत्तेजक द्रव): Liquids with high vapor pressure, like alcohol or acetone, that evaporate easily.

वाष्प दबाव वह दबाव है जो एक गैस अपने तरल या ठोस चरण के साथ संतुलन में उत्पन्न करती है, जब तापमान स्थिर हो।
जब कोई तरल एक बंद कंटेनर में होता है, तो कुछ अणु वाष्पित होते हैं, और वाष्प दबाव बढ़ता है जब तक यह संतुलन तक नहीं पहुँच जाता। संतुलन में, वाष्पन की दर और संघनन की दर समान हो जाती है।

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Summary (सारांश)

1. Stoichiometric Relations: These are the relationships between reactants and products in a chemical reaction based on balanced equations.
2. Methods of Expressing Composition: Composition can be expressed using mole fraction, mass fraction, molarity, and molality.
3. Ideal Gas Law: It connects pressure, volume, temperature, and the number of moles of gas in a system.
4. Gaseous Mixtures: Composed of multiple gases that behave independently, each gas contributing to the total pressure.
5. Partial Pressure: The pressure exerted by each gas in a mixture is its partial pressure, and Dalton's law gives the sum of partial pressures in a mixture.
6. Vapour Pressure: The pressure exerted by a gas in equilibrium with its liquid or solid form.

 UNIT 3

3. Humidity (नमी)

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3.1 Vapour Pressure, Effect of Temperature on Vapour Pressure (वाष्प दबाव, तापमान का वाष्प दबाव पर प्रभाव)

• Vapour Pressure (वाष्प दबाव):
  It is the pressure exerted by the vapor of a liquid when the liquid is in equilibrium with its vapor phase at a given temperature. It depends on the nature of the liquid and the temperature.

  • Formula for Vapour Pressure:
    $P_{\text{vapor}} = \text{Pressure exerted by the vapor at a given temperature}$

• Effect of Temperature on Vapour Pressure (तापमान का वाष्प दबाव पर प्रभाव):
  As temperature increases, the kinetic energy of the molecules increases, which increases the rate of evaporation. This leads to an increase in vapor pressure.

  • Explanation:
    • At higher temperatures, more molecules have enough energy to break free from the liquid phase and enter the vapor phase, increasing the vapor pressure.
    • This is why the vapor pressure of liquids is higher at higher temperatures.

• Example:

  • At 25°C, water has a vapor pressure of 23.8 mmHg, but at 100°C, it reaches 760 mmHg (boiling point).

वाष्प दबाव: यह उस दबाव को कहा जाता है जो एक तरल के वाष्प द्वारा उत्पन्न होता है, जब तरल और उसका वाष्प रूप संतुलन में होते हैं। यह तरल की प्रकृति और तापमान पर निर्भर करता है।

• तापमान का वाष्प दबाव पर प्रभाव:
  जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, अणुओं की गतिज ऊर्जा बढ़ जाती है, जिसके परिणामस्वरूप वाष्पीकरण की दर बढ़ती है और वाष्प दबाव बढ़ता है।

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3.2 Humidity and Solubility: Humidity - Saturation - Vaporization (नमी और घुलनशीलता: नमी - संतृप्ति - वाष्पन)

• Humidity (नमी):
  Humidity refers to the amount of water vapor present in the air. It is usually measured in relative humidity (RH), which is the ratio of the current water vapor pressure to the saturated vapor pressure at a given temperature.

  • Relative Humidity (RH):
    $\text{RH} = \frac{P_{\text{water vapor}}}{P_{\text{sat}}} \times 100$ where $P_{\text{water vapor}}$ is the current vapor pressure and $P_{\text{sat}}$ is the saturated vapor pressure at that temperature.

• Saturation (संतृप्ति):
  Saturation refers to the condition where the air has reached the maximum amount of water vapor it can hold at a given temperature. At this point, the air cannot hold any more water vapor, and condensation may occur.

  • When the air is saturated, the relative humidity is 100%, and the vapor pressure equals the saturated vapor pressure.

• Vaporization (वाष्पन):
  Vaporization is the process of converting a liquid into vapor. It can occur through two processes:

  • Evaporation: The process where liquid molecules at the surface gain enough energy to escape into the air.
  • Boiling: A rapid process where the liquid turns into vapor at its boiling point.

नमी: नमी से तात्पर्य उस पानी के वाष्प से है जो वायुमंडल में उपस्थित होता है। इसे सामान्यतः सापेक्षिक नमी (RH) के रूप में मापा जाता है, जो उस तापमान पर वर्तमान वाष्प दबाव और संतृप्त वाष्प दबाव का अनुपात है।

• संतृप्ति: संतृप्ति वह स्थिति है जब हवा किसी विशेष तापमान पर पानी के वाष्प को अधिकतम मात्रा तक पकड़ सकती है। इस स्थिति में, वाष्प दबाव और संतृप्त वाष्प दबाव समान हो जाते हैं और संघनन हो सकता है।

• वाष्पन: वाष्पन वह प्रक्रिया है जिसमें एक तरल को वाष्प में बदला जाता है। यह दो तरीकों से हो सकता है:

  • वाष्पीकरण: यह वह प्रक्रिया है जिसमें तरल अणु सतह पर पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करते हैं और हवा में बदल जाते हैं।
  • उबालना: यह एक तेज प्रक्रिया है जिसमें तरल अपने उबालने के तापमान पर वाष्प में बदल जाता है।

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3.3 Wet and Dry Bulb Thermometry (गीले और सूखे बल्ब थर्मोमेट्री)

• Wet and Dry Bulb Thermometry (गीला और सूखा बल्ब थर्मोमेट्री):
  This method is used to measure the humidity of air by using two thermometers: one with a dry bulb and one with a wet bulb.

  • Dry Bulb Temperature (सूखा बल्ब तापमान):
    It is the air temperature measured by a regular thermometer. This thermometer is exposed to the air and is not covered by any material.

  • Wet Bulb Temperature (गीला बल्ब तापमान):
    It is the temperature measured by a thermometer whose bulb is wrapped with a wet cloth. As water evaporates from the cloth, it cools the thermometer, and the wet bulb temperature will be lower than the dry bulb temperature.

• Calculating Humidity:
  By comparing the difference between the dry bulb and wet bulb temperatures, you can determine the relative humidity using a psychrometric chart or formulas. The greater the difference between the two temperatures, the lower the humidity, and vice versa.

गीले और सूखे बल्ब थर्मोमेट्री: यह विधि हवा की नमी मापने के लिए दो थर्मामीटर का उपयोग करती है: एक सूखा बल्ब और एक गीला बल्ब।

• सूखा बल्ब तापमान: यह वह तापमान होता है जो एक सामान्य थर्मामीटर द्वारा मापा जाता है, जो हवा में खुला होता है।

• गीला बल्ब तापमान: यह वह तापमान होता है जो एक थर्मामीटर द्वारा मापा जाता है, जिसका बल्ब गीले कपड़े से लिपटा होता है। जैसे-जैसे पानी वाष्पित होता है, यह थर्मामीटर को ठंडा कर देता है, और गीला बल्ब तापमान सूखे बल्ब तापमान से कम होता है।

• नमी की गणना: सूखा बल्ब और गीला बल्ब तापमान के बीच अंतर की तुलना करके सापेक्षिक नमी मापी जा सकती है। इसके लिए साइक्रोमेट्रिक चार्ट या सूत्रों का उपयोग किया जाता है।

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Summary (सारांश)

1. Vapour Pressure: The pressure exerted by a vapor in equilibrium with its liquid or solid phase.
2. Effect of Temperature: Vapor pressure increases as temperature increases due to higher molecular energy.
3. Humidity: The amount of water vapor in the air, expressed as relative humidity.
4. Saturation: The state where the air cannot hold more water vapor at a given temperature (100% relative humidity).
5. Vaporization: The process of converting a liquid to vapor, either by evaporation or boiling.
6. Wet and Dry Bulb Thermometry: A method to measure humidity by comparing the temperatures of a dry and a wet bulb thermometer.

 UNIT 4

4. Material Balance (सामग्री संतुलन)

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4.1 Key Components (मुख्य घटक)

Material balance is the application of the conservation of mass principle to chemical processes. It involves tracking the amounts of various substances entering, leaving, and accumulating in a system.

The key components of material balance are:

1. Input (प्रवेश): The materials (raw materials, reactants, etc.) entering the system.
2. Output (निर्गमन): The materials (products, by-products, etc.) leaving the system.
3. Accumulation (संचय): The materials that accumulate within the system (if any).
4. System Boundaries (सिस्टम की सीमाएँ): Defining the boundaries of the system where the mass balance is applied.
5. Process (प्रक्रिया): The transformation or reaction occurring within the system.

Material balance is based on the principle that mass cannot be created or destroyed; it can only be transformed.

सामग्री संतुलन रासायनिक प्रक्रियाओं में द्रव्यमान संरक्षण के सिद्धांत का अनुप्रयोग है। इसमें एक प्रणाली में प्रवेश करने, बाहर निकलने और जमा होने वाली विभिन्न पदार्थों की मात्राओं का ट्रैकिंग करना शामिल है।

मुख्य घटक:

1. प्रवेश: प्रणाली में प्रवेश करने वाली सामग्री (कच्चे माल, अभिकारक, आदि)।
2. निर्गमन: प्रणाली से बाहर निकलने वाली सामग्री (उत्पाद, उपोत्पाद, आदि)।
3. संचय: प्रणाली में जमा होने वाली सामग्री (यदि कोई हो)।
4. सिस्टम की सीमाएँ: वह सीमाएँ जहां सामग्री संतुलन लागू किया जाता है।
5. प्रक्रिया: वह परिवर्तन या अभिक्रिया जो प्रणाली में घटित हो रही है।

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4.2 Basis of Calculations (गणनाओं का आधार)

• Basis of Calculation (गणना का आधार) refers to the reference or starting point taken to simplify the calculations.

  • Common bases include:
    1. 100 kg of feed (कच्चे माल का 100 किलोग्राम): A fixed mass is taken as the basis for the calculations.
    2. 1 mole of input or output (प्रवेश या निर्गमन का 1 मोल): Sometimes moles are used as the basis for calculations.
    3. Unit volume (इकाई आयतन): Volume may be taken as the basis, especially for gas-phase reactions.

• The calculation basis simplifies the comparison of material flows (in mass or moles) within a process.

गणना का आधार वह संदर्भ या प्रारंभिक बिंदु होता है, जिस पर गणनाएँ सरल बनाने के लिए लिया जाता है।

• सामान्य आधार में शामिल हैं:
  1. कच्चे माल का 100 किलोग्राम: गणनाओं के लिए एक निश्चित द्रव्यमान लिया जाता है।
  2. 1 मोल प्रवेश या निर्गमन: कभी-कभी गणनाओं के लिए मोलों का उपयोग किया जाता है।
  3. इकाई आयतन: गैस-चरण अभिक्रियाओं के लिए आयतन को आधार के रूप में लिया जा सकता है।

गणना का आधार प्रक्रिया में सामग्री प्रवाहों (द्रव्यमान या मोलों में) की तुलना को सरल बनाता है।

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4.3 Total and Component Balance (कुल और घटक संतुलन)

1. Total Material Balance (कुल सामग्री संतुलन):

   • The total mass entering the system must be equal to the total mass leaving the system, plus any accumulation.
   • The general equation is:
     $\text{Input} = \text{Output} + \text{Accumulation}$

2. Component Material Balance (घटक सामग्री संतुलन):

   • A component balance focuses on individual components (e.g., a specific chemical) entering and leaving the system.
   • The general equation is:
     $\text{Component Input} = \text{Component Output} + \text{Component Accumulation}$

कुल सामग्री संतुलन:

• प्रणाली में प्रवेश करने वाली कुल द्रव्यमान प्रणाली से बाहर निकलने वाली कुल द्रव्यमान के बराबर होनी चाहिए, साथ ही किसी भी संचित द्रव्यमान के।

घटक सामग्री संतुलन:

• एक घटक संतुलन प्रणाली में प्रवेश करने और बाहर निकलने वाले व्यक्तिगत घटकों (जैसे, विशिष्ट रासायनिक) पर केंद्रित होता है।

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4.4 Steady State and Unsteady State (स्थिर अवस्था और अस्थिर अवस्था)

1. Steady State (स्थिर अवस्था):

   • In a steady-state system, the conditions within the system (e.g., flow rates, concentrations) remain constant over time.
   • There is no accumulation within the system, so the material balance is simple.
   • Example: A continuous chemical reactor operating at constant input and output.

2. Unsteady State (अस्थिर अवस्था):

   • In an unsteady-state system, conditions change with time.
   • There may be accumulation or depletion of materials within the system, and the material balance must account for this variation over time.
   • Example: A batch reactor, where materials are added or removed intermittently.

स्थिर अवस्था:

• स्थिर अवस्था प्रणाली में, प्रणाली के भीतर स्थितियाँ (जैसे, प्रवाह दरें, सांद्रताएँ) समय के साथ स्थिर रहती हैं।
• प्रणाली में कोई संचय नहीं होता, इसलिए सामग्री संतुलन सरल होता है।
• उदाहरण: एक निरंतर रासायनिक रिएक्टर जो स्थिर इनपुट और आउटपुट पर काम करता है।

अस्थिर अवस्था:

• अस्थिर अवस्था प्रणाली में, स्थितियाँ समय के साथ बदलती रहती हैं।
• प्रणाली में सामग्री का संचय या कमी हो सकती है, और सामग्री संतुलन को समय के साथ होने वाले इस परिवर्तन को ध्यान में रखना होगा।
• उदाहरण: बैच रिएक्टर, जहां सामग्री अंतराल पर जोड़ी या हटाई जाती है।

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4.5 By-pass and Recycle (बाईपास और पुनर्चक्रण)

1. By-pass (बाईपास):

   • A by-pass refers to diverting a portion of the input stream around a particular section of the process.
   • It reduces the amount of material flowing through the main processing unit.
   • Example: Diverting a portion of the reactant around the reactor in a process to avoid overreaction.

2. Recycle (पुनर्चक्रण):

   • Recycle refers to the process of returning a portion of the output back into the input stream for further processing.
   • This is done to increase efficiency or to minimize waste.
   • Example: In a chemical plant, unreacted feed may be recycled back into the reactor.

बाईपास:

• बाईपास का तात्पर्य है कि इनपुट धारा का एक हिस्सा प्रक्रिया के एक विशिष्ट भाग से बाहर कर दिया जाता है।
• यह मुख्य प्रसंस्करण इकाई के माध्यम से प्रवाहित होने वाली सामग्री की मात्रा को घटाता है।

पुनर्चक्रण:

• पुनर्चक्रण का तात्पर्य है आउटपुट का एक हिस्सा इनपुट धारा में वापस भेजना, ताकि आगे की प्रक्रिया की जा सके।
• यह दक्षता बढ़ाने या अपशिष्ट को कम करने के लिए किया जाता है।

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4.6 Simple Numerical Problems (सरल सांख्यिकीय समस्याएँ)

1. Problem: A system receives 100 kg/hr of raw material. In the process, 20 kg/hr of the material is converted into a product, and 5 kg/hr of material is wasted. What is the material balance?

   • Solution:
     • Input = 100 kg/hr
     • Output = Product (20 kg/hr) + Waste (5 kg/hr) = 25 kg/hr
     • Accumulation = 100 kg/hr - 25 kg/hr = 75 kg/hr
   • Material balance equation:
     $\text{Input} = \text{Output} + \text{Accumulation}$
     $100 \, \text{kg/hr} = 25 \, \text{kg/hr} + 75 \, \text{kg/hr}$

2. Problem: A chemical plant processes 200 kg/hr of a reactant. If 50 kg/hr is converted to a product and 30 kg/hr is wasted, how much material accumulates in the system?

   • Solution:

     • Input = 200 kg/hr
     • Output = Product (50 kg/hr) + Waste (30 kg/hr) = 80 kg/hr
     • Accumulation = 200 kg/hr - 80 kg/hr = 120 kg/hr

   • Material balance equation:
     $\text{Input} = \text{Output} + \text{Accumulation}$
     $200 \, \text{kg/hr} = 80 \, \text{kg/hr} + 120 \, \text{kg/hr}$

सांख्यिकीय समस्या:

1. समस्या: एक प्रणाली को 100 किलोग्राम/घंटा कच्चा माल प्राप्त होता है। प्रक्रिया में, 20 किलोग्राम/घंटा सामग्री उत्पाद में परिवर्तित हो जाती है और 5 किलोग्राम/घंटा सामग्री नष्ट हो जाती है। सामग्री संतुलन क्या है?

   • समाधान:
     • प्रवेश = 100 किलोग्राम/घंटा
     • निर्गमन = उत्पाद (20 किलोग्राम/घंटा) + अपशिष्ट (5 किलोग्राम/घंटा) = 25 किलोग्राम/घंटा
     • संचय = 100 किलोग्राम/घंटा - 25 किलोग्राम/घंटा = 75 किलोग्राम/घंटा
   • सामग्री संतुलन समीकरण:
     $\text{प्रवेश} = \text{निर्गमन} + \text{संचय}$
     $100 \, \text{किलोग्राम/घंटा} = 25 \, \text{किलोग्राम/घंटा} + 75 \, \text{किलोग्राम/घंटा}$

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Summary (सारांश)

1. Material Balance: Application of mass conservation principle.
2. Key Components: Input, output, accumulation, process, system boundaries.
3. Basis of Calculation: Fixed mass, moles, or volume used for simplification.
4. Total and Component Balance: Total mass balance and individual component balance.
5. Steady and Unsteady State: Steady state has constant conditions, unsteady state varies over time.
6. By-pass and Recycle: By-pass reduces material flow, recycle increases process efficiency.
7. Numerical Problems: Simple calculations to solve mass balances.

 UNIT 5

5. Energy Balance (ऊर्जा संतुलन)

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5.1 Energy Balance (ऊर्जा संतुलन)

Energy balance is based on the First Law of Thermodynamics, which states that energy can neither be created nor destroyed, only transferred or converted from one form to another. In a chemical process, energy can enter the system (as heat or work), leave the system, or accumulate within the system.

• Energy Balance Equation:
  The general energy balance equation for a system is:
  $\text{Energy In} - \text{Energy Out} + \text{Energy Accumulation} = 0$
  This can be applied to both closed and open systems.

• Closed System:
  In a closed system, energy cannot enter or leave, but it may accumulate within the system.

  • Example: A closed container of gas.

• Open System:
  In an open system, energy can flow in and out.

  • Example: A reactor where heat is added or removed.

ऊर्जा संतुलन: यह थर्मोडायनेमिक्स के पहले नियम पर आधारित है, जो कहता है कि ऊर्जा को न तो बनाया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है, इसे केवल एक रूप से दूसरे रूप में परिवर्तित किया जा सकता है या स्थानांतरित किया जा सकता है। रासायनिक प्रक्रिया में, ऊर्जा प्रणाली में प्रवेश कर सकती है (ताप या कार्य के रूप में), बाहर जा सकती है, या प्रणाली में संचित हो सकती है।

• ऊर्जा संतुलन समीकरण:
  प्रणाली के लिए सामान्य ऊर्जा संतुलन समीकरण है:
  $\text{ऊर्जा प्रवेश} - \text{ऊर्जा निर्गमन} + \text{ऊर्जा संचय} = 0$
  यह बंद और खुले दोनों प्रणालियों पर लागू किया जा सकता है।

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5.2 Thermo Chemistry - Hess’s Law of Summation (थर्मो रसायन - हेß का योग का नियम)

• Hess’s Law of Summation (हेß का योग का नियम):
  This law states that the total heat change in a chemical reaction is the sum of the heat changes in the steps into which the reaction can be divided, irrespective of the path taken. In other words, the enthalpy change of a reaction is the same, whether the reaction occurs in one step or several steps.

  • Mathematically:
    $\Delta H_{\text{reaction}} = \Delta H_1 + \Delta H_2 + \dots$

• Application:
  Hess’s Law is useful in calculating the enthalpy change of reactions that are difficult to measure directly. By using known reactions and their enthalpy values, we can calculate the enthalpy change for the target reaction.

हेß का योग का नियम: यह नियम कहता है कि किसी रासायनिक अभिक्रिया में कुल ऊष्मा परिवर्तन उन कदमों के ऊष्मा परिवर्तनों का योग होता है, जिनमें उस अभिक्रिया को विभाजित किया जा सकता है, चाहे रास्ता जो भी हो। दूसरे शब्दों में, किसी अभिक्रिया का एंथलपी परिवर्तन एक जैसा रहता है, चाहे वह एक कदम में हो या कई कदमों में।

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5.3 Heat Effects (तापीय प्रभाव)

Heat effects refer to the heat released or absorbed during a chemical reaction. These effects can be categorized into various types based on the specific process.

5.3.1 Heat of Formation (निर्माण की ऊष्मा)

• Heat of Formation (ΔHf):
  The heat released or absorbed when one mole of a compound is formed from its elements in their standard states.
  • For example, the heat of formation of water is the heat change when hydrogen and oxygen combine to form water.

निर्माण की ऊष्मा (ΔHf):
यह वह ऊष्मा है जो एक यौगिक के एक मोल के तत्वों से उनके मानक रूपों में बनने पर उत्पन्न या अवशोषित होती है।

• उदाहरण के रूप में, जल की निर्माण की ऊष्मा वह ऊष्मा परिवर्तन है जब हाइड्रोजन और ऑक्सीजन मिलकर पानी बनाते हैं।

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5.3.2 Heat of Reaction (प्रतिक्रिया की ऊष्मा)

• Heat of Reaction (ΔHr):
  The heat change that occurs during a chemical reaction. It can either be exothermic (releasing heat) or endothermic (absorbing heat).
  • Exothermic reaction: Releases heat (ΔHr is negative).
  • Endothermic reaction: Absorbs heat (ΔHr is positive).

प्रतिक्रिया की ऊष्मा (ΔHr):
यह वह ऊष्मा परिवर्तन है जो एक रासायनिक अभिक्रिया के दौरान होता है। यह या तो ऊष्मारूपी (ऊष्मा छोड़ने वाली) हो सकती है या ऊष्माकर्षक (ऊष्मा अवशोषित करने वाली)।

• ऊष्मारूपी अभिक्रिया: ऊष्मा छोड़ती है (ΔHr नकारात्मक होता है)।
• ऊष्माकर्षक अभिक्रिया: ऊष्मा अवशोषित करती है (ΔHr सकारात्मक होता है)।

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5.3.3 Heat of Combustion (दहन की ऊष्मा)

• Heat of Combustion (ΔHc):
  The heat released when one mole of a substance reacts completely with oxygen. It is a type of exothermic reaction where the substance burns in excess oxygen to produce carbon dioxide and water.
  • Example: The heat of combustion of methane is the heat released when methane reacts with oxygen to form carbon dioxide and water.

दहन की ऊष्मा (ΔHc):
यह वह ऊष्मा है जो तब उत्पन्न होती है जब किसी पदार्थ का एक मोल पूरी तरह से ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया करता है। यह एक प्रकार की ऊष्मारूपी अभिक्रिया होती है, जिसमें पदार्थ अधिक मात्रा में ऑक्सीजन में जलकर कार्बन डाइऑक्साइड और पानी उत्पन्न करता है।

• उदाहरण के रूप में, मीथेन के दहन की ऊष्मा वह ऊष्मा है जो मीथेन के ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया करने पर उत्पन्न होती है और यह कार्बन डाइऑक्साइड और पानी बनाती है।

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5.3.4 Heat of Mixing (मिश्रण की ऊष्मा)

• Heat of Mixing (ΔHm):
  The heat change when two or more substances are mixed. This can be exothermic (releasing heat) or endothermic (absorbing heat), depending on the nature of the substances involved.
  • Exothermic mixing: When the substances release heat upon mixing.
  • Endothermic mixing: When the substances absorb heat upon mixing.

मिश्रण की ऊष्मा (ΔHm):
यह वह ऊष्मा परिवर्तन है जब दो या दो से अधिक पदार्थ मिश्रित होते हैं। यह या तो ऊष्मारूपी (ऊष्मा छोड़ने वाली) हो सकती है या ऊष्माकर्षक (ऊष्मा अवशोषित करने वाली), जो पदार्थों की प्रकृति पर निर्भर करती है।

• ऊष्मारूपी मिश्रण: जब पदार्थ मिश्रण करने पर ऊष्मा छोड़ते हैं।
• ऊष्माकर्षक मिश्रण: जब पदार्थ मिश्रण करने पर ऊष्मा अवशोषित करते हैं।

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5.4 Mean Specific Heat, Theoretical Flame Temperature (सामान्य विशिष्ट ऊष्मा, सैद्धांतिक ज्वाला तापमान)

1. Mean Specific Heat (सामान्य विशिष्ट ऊष्मा):
   The average heat required to raise the temperature of a unit mass of a substance by one degree Celsius (or Kelvin) over a range of temperatures.

   • It is calculated as:
     $C_{\text{mean}} = \frac{Q}{m \Delta T}$
     where $Q$ is the heat added, $m$ is the mass, and $\Delta T$ is the temperature change.

2. Theoretical Flame Temperature (सैद्धांतिक ज्वाला तापमान):
   The maximum temperature that can be achieved by a flame when the combustion of a fuel occurs in an ideal environment (with complete combustion and no heat losses).

   • It depends on the type of fuel and the oxidizer (usually oxygen).
   • Theoretical flame temperature can be calculated using energy balance equations, considering the heat of combustion of the fuel and the specific heat of the products.

सामान्य विशिष्ट ऊष्मा:
यह वह औसत ऊष्मा है जो किसी पदार्थ की एक इकाई द्रव्यमान को एक डिग्री सेल्सियस (या केल्विन) तक बढ़ाने के लिए आवश्यक होती है, जब तापमान की सीमा दी जाती है।

• इसे इस प्रकार से गणना किया जाता है:
  $C_{\text{mean}} = \frac{Q}{m \Delta T}$
  जहां $Q$ ऊष्मा है, $m$ द्रव्यमान है, और $\Delta T$ तापमान परिवर्तन है।

2. सैद्धांतिक ज्वाला तापमान:
   यह वह अधिकतम तापमान है जो एक ज्वाला द्वारा प्राप्त किया जा सकता है, जब ईंधन का दहन एक आदर्श वातावरण में होता है (पूर्ण दहन और कोई ऊष्मा हानि नहीं होती)।

• यह ईंधन और आक्सीकारक (आमतौर पर ऑक्सीजन) के प्रकार पर निर्भर करता है।
• सैद्धांतिक ज्वाला तापमान ऊर्जा संतुलन समीकरणों का उपयोग करके गणना की जा सकती है, जिसमें ईंधन के दहन की ऊष्मा और उत्पादों की विशिष्ट ऊष्मा को ध्यान में रखा जाता है।

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Summary (सारांश)

1. Energy Balance: Understand the flow of energy in and out of a system.
2. Hess’s Law: Use summation to calculate enthalpy changes in a multi-step process.
3. Heat Effects: Includes heat of formation, reaction, combustion, and mixing.
4. Mean Specific Heat & Theoretical Flame Temperature: Calculate average heat capacity and maximum achievable flame temperature.