- Masas bilances vispārīgais vienādojums
- Vienkāršošana
- Lietošanas piemērs: zivis upē
- Veidi
- Diferenciālais līdzsvars
- Visaptverošs līdzsvars
- Vingrinājuma piemērs
- Atsauces
Materiālais līdzsvars ir to sastāvdaļu skaits, kuras pieder pētāmai sistēmai vai procesam. Šo līdzsvaru var piemērot gandrīz jebkura veida sistēmai, jo tiek pieņemts, ka šādu elementu masu summai jāpaliek nemainīgai dažādos mērīšanas laikos.
Komponentu var saprast kā bumbiņas, baktērijas, dzīvniekus, apaļkokus, kūkas sastāvdaļas; un ķīmijas gadījumā - molekulas vai joni, vai, konkrētāk, savienojumi vai vielas. Tātad kopējai molekulu masai, kas nonāk sistēmā, ar vai bez ķīmiskas reakcijas, jāpaliek nemainīgai; kamēr nav noplūdes zudumu.
Akmeņu kaudze: burtisks līdzsvarotas matērijas piemērs. Avots: Pxhere.
Praksē pastāv neskaitāmas problēmas, kas var ietekmēt matērijas līdzsvaru, papildus ņemot vērā dažādas matērijas parādības un daudzu mainīgo lielumu (temperatūra, spiediens, plūsma, uzbudinājums, reaktora lielums utt.) Ietekmi.
Tomēr uz papīra masas bilances aprēķiniem ir jāsakrīt; tas ir, ķīmisko savienojumu masa nedrīkst pazust. Šī līdzsvara iegūšana ir analoga akmeņu kaudzes līdzsvarošanai. Ja kāda no masām izkļūst no vietas, viss sabrūk; šajā gadījumā tas nozīmētu, ka aprēķini ir nepareizi.
Masas bilances vispārīgais vienādojums
Jebkurā sistēmā vai procesā vispirms ir jādefinē, kādas ir tā robežas. No tiem būs zināms, kuri savienojumi nonāk vai iziet. Tas ir īpaši ērti, ja ir jāņem vērā vairākas procesa vienības. Ja ņem vērā visas vienības vai apakšsistēmas, mēs runājam par vispārēju masas bilanci.
Šim līdzsvaram ir vienādojums, ko var izmantot jebkurai sistēmai, kas ievēro masas saglabāšanas likumu. Vienādojums ir šāds:
E + G - S - C = A
Kur E ir vielas daudzums, kas nonāk sistēmā; G ir tas, kas rodas, ja procesā notiek ķīmiska reakcija (kā reaktorā); S ir tas, kas iznāk no sistēmas; C ir tas, ko patērē , ja ir kāda reakcija; un visbeidzot, A ir tas, kas ir uzkrāts .
Vienkāršošana
Ja pētāmajā sistēmā vai procesā nav ķīmisku reakciju, G un C vērtība ir nulle. Tādējādi vienādojums izskatās šādi:
E - S = A
Ja sistēma tiek apskatīta arī vienmērīgā stāvoklī, bez ievērojamām izmaiņām mainīgajos lielumos vai komponentu plūsmās, tiek teikts, ka tajā neuzkrājas nekas. Tāpēc A vērtība ir nulle, un vienādojumu galu galā vienkāršo vēl vairāk:
E = S
Citiem vārdiem sakot, iekļūstošās vielas daudzums ir vienāds ar to, kas iziet. Nekas nevar pazust vai pazust.
No otras puses, ja notiek ķīmiska reakcija, bet sistēma ir vienmērīgā stāvoklī, G un C būs vērtības un A paliks nulle:
E + G - S - C = 0
E + G = S + C
Nozīmē, ka reaktorā ienākošo reaģentu un tajā ģenerēto produktu masa ir vienāda ar izejošo produktu un reaģentu, kā arī patērēto reaģentu masu.
Lietošanas piemērs: zivis upē
Pieņemsim, ka jūs pēta zivju skaitu upē, kuras krasti pārstāv sistēmas robežu. Ir zināms, ka vidēji gadā ienāk 568 zivis, 424 piedzimst (ģenerē), 353 mirst (patērē), bet 236 migrē vai aiziet.
Izmantojot vispārīgo vienādojumu, kas mums ir šāds:
568 + 424 - 353 - 236 = 403
Tas nozīmē, ka gadā upē uzkrājas 403 zivis; tas ir, gadā upe kļūst ar zivīm bagātāka. Ja A vērtība būtu negatīva, tas nozīmētu, ka zivju skaits samazinās, iespējams, negatīvas ietekmes uz vidi dēļ.
Veidi
No vispārējā vienādojuma var domāt, ka dažādu veidu ķīmiskajiem procesiem ir četri vienādojumi. Tomēr masas bilance tiek sadalīta divos veidos pēc cita kritērija: laiks.
Diferenciālais līdzsvars
Materiālu diferenciālajā bilancē mums ir komponentu daudzums sistēmā noteiktā laikā vai brīdī. Minētie masas daudzumi ir izteikti laika vienībās, un tāpēc tie norāda ātrumu; piemēram, Kg / h, norādot, cik kilometru stundā iebrauc, izbrauc, uzkrāj, rada vai patērē.
Lai būtu masas plūsmas (vai tilpuma, ar blīvumu pie rokas), sistēmai parasti jābūt atvērtai.
Visaptverošs līdzsvars
Kad sistēma ir slēgta, kā tas notiek ar reakcijām, kas tiek veiktas periodiskos reaktoros (sērijas tips), tās sastāvdaļu masas parasti ir interesantākas pirms un pēc procesa; tas ir, starp sākotnējo un beigu laiku t.
Tāpēc daudzumus izsaka tikai kā masas, nevis ar ātrumu. Šāda veida līdzsvars tiek garīgi panākts, izmantojot blenderi: ievadīto sastāvdaļu masai jābūt vienādai ar masu, kas palikusi pēc motora izslēgšanas.
Vingrinājuma piemērs
Ir vēlams atšķaidīt 25% metanola šķīduma plūsmu ūdenī ar vēl vienu 10% koncentrāciju, vairāk atšķaidot tādā veidā, lai iegūtu 100 kg / h 17% metanola šķīduma. Cik daudz no 25% un 10% metanola šķīdumiem stundā jāievada sistēmā, lai to panāktu? Pieņemsim, ka sistēma ir vienmērīgā stāvoklī
Šī diagramma ir piemēra paziņojums:
Metanola šķīduma atšķaidījuma masas bilances diagramma. Avots: Gabriel Bolívar.
Ķīmiskās reakcijas nenotiek, tāpēc ievadītā metanola daudzumam jābūt vienādam ar daudzumu, kas iziet:
E metanols = S metanols
0,25 n 1 · + 0,10 n 2 · = 0,17 n 3 ·
Ir zināma tikai n 3 vērtība . Pārējie ir nezināmi. Lai atrisinātu šo divu nezināmo vienādojumu, ir nepieciešams cits līdzsvars: ūdens. Veicot tādu pašu ūdens līdzsvaru, mums ir:
0,75 n 1 · + 0,90 n 2 · = 0,83 n 3 ·
Ūdenim tiek atrisināta n 1 · vērtība (tā var būt arī n 2 · ):
n 1 · = (83 Kg / h - 0,90n 2 · ) / (0,75)
Aizstājot ar n 1 · masas bilances vienādojumā metanolā un n 2 · risinot, mums ir:
0,25 + 0,10 n 2 · = 0,17 (100 kg / h)
n 2 · = 53,33 Kg / h
Un n 1 · vienkārši atņemiet:
n 1 · = (100–53,33) Kg / h
= 46,67 Kg / h
Tāpēc stundā sistēmā jāievada 46,67 kg 25% metanola šķīduma un 53,33 kg 10% šķīduma.
Atsauces
- Felders un Ruso. (2000). Ķīmisko procesu pamatprincipi. (Otrais izdevums.) Adisons Veslijs.
- Fernández Germán. (2012. gada 20. oktobris). Masas bilances definīcija. Atgūts no: industriaquimica.net
- Vielu līdzsvari: rūpnieciskie procesi .. Atgūts no: 3.fi.mdp.edu.ar
- UNT reģionālā koledža La Plata. (sf). Materiālais līdzsvars. . Atgūts no: frlp.utn.edu.ar
- Gómez Claudia S. Quintero. (sf). Materiālu atlikumi. . Atgūts no: webdelprofesor.ula.ve