- Общее уравнение баланса массы
- упрощение
- Пример использования: рыба в реке
- Типы
- Дифференциальный баланс
- Полный баланс
- Пример упражнения
- Ссылки
Материальный баланс - это количество компонентов, которые принадлежат исследуемой системе или процессу. Этот баланс можно применять практически к любому типу системы, поскольку предполагается, что сумма масс таких элементов должна оставаться постоянной в разное время измерения.
Под компонентом можно понимать шарики, бактерии, животных, поленья, ингредиенты для торта; и в случае химии, молекул или ионов, или, более конкретно, соединений или веществ. Таким образом, общая масса молекул, входящих в систему, с химической реакцией или без нее, должна оставаться постоянной; пока нет потерь утечки.
Каменная куча: буквальный пример сбалансированной материи. Источник: Pxhere.
На практике существует бесчисленное множество проблем, которые могут повлиять на баланс вещества, помимо учета различных явлений вещества и влияния многих переменных (температура, давление, поток, перемешивание, размер реактора и т. Д.).
Однако на бумаге расчеты баланса массы должны совпадать; то есть масса химических соединений никогда не должна исчезнуть. Этот баланс аналогичен уравновешиванию кучи камней. Если одна из масс неуместна, все разваливается; в этом случае это будет означать, что расчеты неверны.
Общее уравнение баланса массы
В любой системе или процессе сначала необходимо определить его границы. По ним будет известно, какие соединения входят или выходят. Это особенно удобно, если необходимо учитывать несколько технологических единиц. Когда рассматриваются все единицы или подсистемы, мы говорим об общем балансе массы.
У этого баланса есть уравнение, которое можно применить к любой системе, подчиняющейся закону сохранения массы. Уравнение выглядит следующим образом:
E + G - S - C = А
Где E - количество вещества, которое попадает в систему; G - это то, что образуется, если в процессе происходит химическая реакция (как в реакторе); S - это то, что выходит из системы; C - это то, что потребляется , опять же, если есть реакция; и, наконец, A - это то, что накапливается .
упрощение
Если в исследуемой системе или процессе нет химической реакции, G и C равны нулю. Таким образом, уравнение выглядит так:
E - S = А
Если система также находится в устойчивом состоянии без заметных изменений переменных или потоков компонентов, говорят, что внутри нее ничего не накапливается. Следовательно, A стоит ноль, и уравнение становится еще более упрощенным:
E = S
Другими словами, количество поступающего вещества равно количеству выходящего. Ничего нельзя потерять или исчезнуть.
С другой стороны, если происходит химическая реакция, но система находится в устойчивом состоянии, G и C будут иметь значения, а A останется равным нулю:
E + G - S - C = 0
E + G = S + C
Это означает, что в реакторе масса реагентов, которые поступают, и продуктов, которые они производят в нем, равна массе продуктов и реагентов, которые уходят, а также израсходованных реагентов.
Пример использования: рыба в реке
Предположим, вы изучаете количество рыбы в реке, берега которой представляют собой границу системы. Известно, что в среднем 568 рыб входят в год, 424 рождаются (производят), 353 умирают (потребляют) и 236 мигрируют или покидают.
Применяя общее уравнение, получаем:
568 + 424 - 353 - 236 = 403
Это означает, что за год в реке скапливается 403 рыбы; то есть с каждым годом река становится богаче рыбой. Если бы у A было отрицательное значение, это означало бы, что количество рыбы уменьшается, возможно, из-за негативного воздействия на окружающую среду.
Типы
Из общего уравнения можно подумать, что существует четыре уравнения для различных типов химических процессов. Однако баланс массы делится на два типа по другому критерию: времени.
Дифференциальный баланс
В дифференциальном материальном балансе у нас есть количество компонентов в системе в данный момент времени или момент. Указанные массовые количества выражены в единицах времени и, следовательно, представляют собой скорости; например, кг / ч, указывающий, сколько километров входит, выходит, накапливается, генерируется или потребляется за час.
Для массового расхода (или объемного, с учетом имеющейся плотности) система, как правило, должна быть открытой.
Полный баланс
Когда система закрыта, как это происходит с реакторами периодического действия (периодического типа), массы ее компонентов обычно более интересны до и после процесса; то есть между начальным и конечным моментами времени t.
Следовательно, величины выражаются просто массами, а не скоростями. Этот вид баланса делается мысленно при использовании блендера: масса входящих ингредиентов должна быть равна массе, оставшейся после выключения двигателя.
Пример упражнения
Желательно разбавить поток 25% раствора метанола в воде другим с концентрацией 10%, более разбавленным, таким образом, чтобы получить 100 кг / ч 17% раствора метанола. Сколько 25% и 10% растворов метанола должно поступать в систему за час, чтобы этого добиться? Предположим, что система находится в устойчивом состоянии.
Следующая диаграмма иллюстрирует это утверждение:
Схема массового баланса разбавления раствора метанола. Источник: Габриэль Боливар.
Никакой химической реакции нет, поэтому количество поступающего метанола должно быть равно количеству выходящего:
E Метанол = S Метанол
0,25 n 1 · + 0,10 n 2 · = 0,17 n 3 ·
Известно только значение n 3 · . Остальное неизвестно. Чтобы решить это уравнение двух неизвестных, необходим другой баланс: баланс воды. Делая такой же баланс для воды, мы имеем:
0,75 n 1 · + 0,90 n 2 · = 0,83 n 3 ·
Значение n 1 · решается для воды (также может быть n 2 · ):
n 1 · = (83 кг / ч - 0,90 n 2 · ) / (0,75)
Подставляя затем n 1 · в уравнение баланса массы для метанола и решая для n 2 ·, мы имеем:
0,25 + 0,10 n 2 · = 0,17 (100 кг / ч)
n 2 · = 53,33 кг / ч
А для п 1 · просто вычесть:
n 1 · = (100-53,33) кг / ч
= 46,67 кг / ч
Следовательно, за час в систему должно поступать 46,67 кг 25% раствора метанола и 53,33 кг 10% раствора.
Ссылки
- Фельдер и Руссо. (2000). Элементарные принципы химических процессов. (Второе издание.). Эддисон Уэсли.
- Фернандес Херман. (20 октября 2012 г.). Определение баланса массы. Получено с: Industriaquimica.net
- Балансы веществ: производственные процессы I .. Получено с: 3.fi.mdp.edu.ar
- Региональный колледж ЕНТ Ла-Плата. (SF). Материальный баланс. , Получено с: frlp.utn.edu.ar
- Гомес Клаудиа С. Кинтеро. (SF). Материальные балансы. , Получено с: webdelprofesor.ula.ve