재료 균형 은 연구중인 시스템 또는 프로세스에 속하는 구성 요소의 개수입니다. 이 균형은 거의 모든 유형의 시스템에 적용 할 수 있습니다. 이러한 요소의 질량 합계는 서로 다른 측정 시간에서 일정하게 유지되어야하기 때문입니다.
성분은 구슬, 박테리아, 동물, 통나무, 케이크 성분으로 이해 될 수 있습니다. 및 화학, 분자 또는 이온, 또는보다 구체적으로 화합물 또는 물질의 경우. 따라서 화학 반응이 있든 없든 시스템에 들어가는 분자의 총 질량은 일정하게 유지되어야합니다. 누출 손실이없는 한.
바위 더미 : 균형 잡힌 물질의 문자 그대로 예. 출처 : Pxhere.
실제로 물질의 다양한 현상과 많은 변수 (온도, 압력, 흐름, 교반, 반응기 크기 등)의 영향을 고려하는 것 외에도 물질의 균형에 영향을 미칠 수있는 수많은 문제가 있습니다.
그러나 서류상 질량 수지 계산은 일치해야합니다. 즉, 화합물의 질량이 언제라도 사라지지 않아야합니다. 이 균형을 잡는 것은 바위 더미의 균형을 맞추는 것과 유사합니다. 대중 중 하나가 제자리에서 벗어나면 모든 것이 무너집니다. 이 경우 계산이 잘못되었음을 의미합니다.
질량 균형의 일반 방정식
모든 시스템 또는 프로세스에서 먼저 경계가 무엇인지 정의해야합니다. 그들로부터 어떤 화합물이 들어오고 나가는 지 알 수 있습니다. 고려할 프로세스 단위가 여러 개인 경우 특히 편리합니다. 모든 단위 또는 하위 시스템을 고려할 때 일반적인 질량 균형에 대해 이야기합니다.
이 균형에는 질량 보존 법칙을 따르는 모든 시스템에 적용될 수있는 방정식이 있습니다. 방정식은 다음과 같습니다.
E + G-S-C = A
E는 시스템에 들어가는 물질의 양입니다 . G는 공정에서 화학 반응 이 발생 하면 생성 되는 것입니다 (반응기에서와 같이). S는 시스템에서 나오는 것 입니다. C는 반응이있는 경우 소비되는 것입니다 . 마지막으로 A는 누적되는 것 입니다.
단순화
연구중인 시스템 또는 프로세스에 화학 반응이없는 경우 G와 C는 0의 가치가 있습니다. 따라서 방정식은 다음과 같습니다.
E-S = A
시스템이 또한 구성 요소의 변수 또는 흐름에 눈에 띄는 변화없이 안정된 상태로 간주되면 내부에 아무것도 축적되지 않는다고합니다. 따라서 A는 0의 가치가 있으며 방정식은 결국 더 단순화됩니다.
E = S
즉, 들어가는 물질의 양은 나가는 물질의 양과 같습니다. 어떤 것도 잃거나 사라질 수 없습니다.
반면에 화학 반응이 있지만 시스템이 정상 상태이면 G와 C는 값을 가지며 A는 0으로 유지됩니다.
E + G-S-C = 0
E + G = S + C
즉, 반응기에서 유입되는 시약과 생성되는 제품의 질량은 떠나는 제품 및 시약, 소비 된 시약의 질량과 같습니다.
사용 예 : 강에서 물고기
강에있는 물고기의 수를 연구한다고 가정 해 보겠습니다. 그 은행은 시스템의 경계를 나타냅니다. 매년 평균 568 마리의 물고기가 들어오고 424 마리가 태어나고 (생성) 353 마리가 죽고 (소비) 236 마리가 이주하거나 떠난다는 것이 알려져 있습니다.
일반 방정식을 적용하면 다음과 같습니다.
568 + 424-353-236 = 403
이것은 매년 403 마리의 물고기가 강에 축적된다는 것을 의미합니다. 즉, 해마다 강에는 물고기가 풍부 해집니다. A의 값이 음수이면 아마도 부정적인 환경 영향으로 인해 물고기 수가 감소하고 있음을 의미합니다.
종류
일반 방정식에서 다른 유형의 화학 공정에 대해 네 가지 방정식이 있다고 생각할 수 있습니다. 그러나 질량 균형은 시간이라는 또 다른 기준에 따라 두 가지 유형으로 나뉩니다.
차등 균형
차등 재료 균형에는 주어진 시간 또는 순간에 시스템 내 구성 요소의 수량이 있습니다. 상기 질량 량은 시간 단위로 표시되므로 속도를 나타냅니다. 예를 들어 Kg / h는 한 시간에 몇 킬로미터가 들어가고, 나가고, 축적, 생성 또는 소비되는지를 나타냅니다.
질량 흐름 (또는 밀도가있는 체적)이 있으려면 일반적으로 시스템이 열려 있어야합니다.
포괄적 인 균형
시스템이 닫히면 간헐적 반응기 (배치 유형)에서 수행되는 반응과 같이 일반적으로 공정 전후에 구성 요소의 질량이 더 흥미 롭습니다. 즉, 초기 시간과 최종 시간 사이 t.
따라서 양은 속도가 아닌 질량으로 표현됩니다. 이러한 유형의 균형은 블렌더를 사용할 때 정신적으로 이루어집니다. 들어가는 재료의 질량은 엔진을 끈 후 남은 질량과 같아야합니다.
예제 운동
100 Kg / h의 17 % 메탄올 용액이 생성되는 방식으로 10 % 농도의 다른 용액으로 더 희석 된 25 % 메탄올 용액의 흐름을 물에 희석하는 것이 바람직합니다. 이를 달성하기 위해 시간당 25 % 및 10 % 메탄올 용액 중 얼마나 많은 양이 시스템에 유입되어야합니까? 시스템이 안정된 상태라고 가정
다음 다이어그램은 설명의 예입니다.
메탄올 용액 희석의 질량 균형에 대한 흐름도. 출처 : Gabriel Bolívar.
화학 반응이 없으므로 들어가는 메탄올의 양은 떠나는 양과 같아야합니다.
E 메탄올 = S 메탄올
0.25n 1 · + 0.10n 2 · = 0.17n 3 ·
n 3 · 의 값만 알려져 있습니다. 나머지는 알려지지 않았습니다. 이 두 가지 미지의 방정식을 풀려면 물의 균형이 필요합니다. 물에 대해 동일한 균형을 유지하면 다음과 같은 이점이 있습니다.
0.75n 1 · + 0.90n 2 · = 0.83n 3 ·
n 1 · 의 값은 물에 대해 해결됩니다 (n 2 · 일 수도 있음 ).
n 1 · = (83 Kg / h-0.90n 2 · ) / (0.75)
그런 다음 메탄올에 대한 질량 균형 방정식에서 n 1 · 을 대입하고 n 2 ·를 풀면 다음과 같습니다.
0.25 + 0.10n 2 · = 0.17 (100Kg / h)
n 2 · = 53.33 Kg / h
그리고 n 1 · 간단히 빼기 :
n 1 · = (100- 53.33) Kg / h
= 46.67Kg / h
따라서 시간당 46.67kg의 25 % 메탄올 용액과 53.33kg의 10 % 용액이 시스템에 들어가야합니다.
참고 문헌
- 펠더와 루소. (2000). 화학 공정의 기본 원리. (두번째 버전.). 애디슨 웨슬리.
- 페르난데스 게르만. (2012 년 10 월 20 일). 질량 균형의 정의. 출처 : industriaquimica.net
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- UNT 지역 대학 라 플라 타. (sf). 물질 균형. . 출처 : frlp.utn.edu.ar
- 고메즈 클라우디아 S. 퀸 테로. (sf). 재료 균형. . 출처 : webdelprofesor.ula.ve