МАТЕРИАЛЕН БАЛАНС: ОБЩО УРАВНЕНИЕ, ВИДОВЕ И УПРАЖНЕНИЯ - ХИМИЯ - 2025

Материалният баланс е броят на компонентите, които принадлежат към изследваната система или процес. Този баланс може да се приложи към почти всеки тип система, тъй като се приема, че сборът от масивите на такива елементи трябва да остане постоянен в различни времена на измерване.

Компонентът може да се разбира като мрамор, бактерии, животни, трупи, съставки за торта; и в случай на химия, молекули или йони или по-точно съединения или вещества. Така общата маса на молекулите, влизащи в система, със или без химическа реакция, трябва да остане постоянна; стига да няма загуби от течове.

Скална купчина: буквален пример за балансирана материя. Източник: Pxhere.

На практика има безброй проблеми, които могат да повлияят на баланса на материята, в допълнение към отчитането на различни явления на материята и ефекта на много променливи (температура, налягане, дебит, разбъркване, размер на реактора и т.н.).

На хартия обаче изчисленията на масовия баланс трябва да съвпадат; т. е. масата на химичните съединения не трябва да изчезва по всяко време. Поемането на този баланс е аналогично на балансирането на купчина скали. Ако някоя от масите стане на мястото си, всичко се разпада; в този случай би означавало, че изчисленията са грешни.

Общо уравнение на баланса на масата

Във всяка система или процес първо трябва да се дефинират какви са нейните граници. От тях ще се знае кои съединения влизат или напускат. Това е особено удобно, ако има няколко технологични единици, които трябва да бъдат разгледани. Когато се вземат предвид всички единици или подсистеми, тогава говорим за общ баланс на масата.

Този баланс има уравнение, което може да се приложи към всяка система, която се подчинява на закона за запазване на масата. Уравнението е следното:

E + G - S - C = A

Където E е количеството материя, което влиза в системата; G е това, което се генерира, ако в процеса възникне химическа реакция (като в реактор); S е това, което излиза от системата; C е това, което се консумира отново, ако има реакция; и накрая, А е това, което се натрупва.

опростяване

Ако в изследваната система или процес няма химическа реакция, G и C струват нула. Така уравнението изглежда така:

E - S = A

Ако системата също се разглежда в стабилно състояние, без забележими промени в променливите или потоците на компонентите, се казва, че в нея нищо не се натрупва. Следователно A струва нула и уравнението завършва опростяване допълнително:

E = S

С други думи, количеството на постъпващата материя е равно на това, което оставя. Нищо не може да се изгуби или изчезне.

От друга страна, ако има химическа реакция, но системата е в стабилно състояние, G и C ще имат стойности и A ще остане нула:

E + G - S - C = 0

E + G = S + C

Това означава, че в реактора масата на реагентите, които влизат, и на продуктите, които те генерират в него, е равна на масата на продуктите и реагентите, които напускат, и на консумираните реагенти.

Пример за употреба: риба в реката

Да предположим, че изучавате броя на рибите в река, чиито брегове идват да представляват границата на системата. Известно е, че средно 568 риби влизат годишно, 424 се раждат (генерират), 353 умират (консумират), а 236 мигрират или напускат.

Прилагайки общото уравнение, което имаме след това:

568 + 424 - 353 - 236 = 403

Това означава, че годишно 403 риби се натрупват в реката; тоест годишно реката става все по-богата с риба. Ако A имаше отрицателна стойност, това би означавало, че броят на рибата намалява, може би поради отрицателно въздействие върху околната среда.

Видове

От общото уравнение може да се мисли, че има четири уравнения за различни видове химични процеси. Масовият баланс обаче е разделен на два вида според друг критерий: време.

Диференциален баланс

В диференциалния материален баланс имаме количеството на компонентите в системата в даден момент или момент. Споменатите масови количества се изразяват в единици време и следователно представляват скорости; например, Kg / h, което показва колко километра влизат, напускат, натрупват, генерират или консумират за един час.

За да има масови потоци (или обемни, с плътността под ръка), системата обикновено трябва да е отворена.

Изчерпателен баланс

Когато системата е затворена, както се случва с реакциите, извършвани в периодични реактори (тип партида), масите на нейните компоненти обикновено са по-интересни преди и след процеса; тоест между началното и крайното време t.

Следователно, количествата се изразяват като обикновени маси, а не като скорости. Този тип баланс се прави мислено при използване на блендер: масата на въведените съставки трябва да е равна на оставената след изключване на двигателя.

Примерно упражнение

Желателно е да се разрежда поток от 25% разтвор на метанол във вода с още 10% концентрация, по-разреден, така че да се образува 100 Kg / h 17% разтвор на метанол. Колко от 25% и 10% разтвори на метанол трябва да влязат в системата за час, за да се постигне това? Да приемем, че системата е в стабилно състояние

Следващата схема илюстрира твърдението:

Диаграма на потока за баланса на масата при разреждане на метанолния разтвор. Източник: Габриел Боливар.

Няма химическа реакция, така че количеството на въведения метанол трябва да бъде равно на количеството, което остава:

E _{метанол} = S _{метанол}

0,25 n ₁ ^· + 0,10 n ₂ ^· = 0,17 n ₃ ^·

^{Известна е} само стойността на n ₃ ^·. Останалите са неизвестни. За да се реши това уравнение на две неизвестни, е необходим друг баланс: този на водата. Създавайки същия баланс за водата, имаме:

0,75 n ₁ ^· + 0,90 n ₂ ^· = 0,83 n ₃ ^·

Стойността на n ₁ ^· се решава за вода (тя също може да бъде n ₂ ^·):

n ₁ ^· = (83 Kg / h - 0,90n ₂ ^·) / (0,75)

Замествайки тогава n ₁ ^· в уравнението на баланса на масата за метанол и решавайки за n ₂ ^· имаме:

0.25 + 0.10 N ₂ ^· = 0.17 (100 кг / ч)

n ₂ ^· = 53,33 Kg / h

И за n ₁ ^· просто извадете:

n ₁ ^· = (100- 53,33) Kg / h

= 46,67 кг / час

Следователно, за час, 46,67 kg 25% разтвор на метанол и 53,33 kg 10% разтвор трябва да влязат в системата.

Препратки

1. Фелдер и Русо. (2000 г.). Елементарни принципи на химичните процеси. (Второ издание.). Адисън Уесли.
2. Фернандес Герман. (20 октомври 2012 г.). Определяне на масов баланс. Възстановено от: industriaquimica.net
3. Везни на материята: промишлени процеси I.. Възстановено от: 3.fi.mdp.edu.ar
4. Регионален колеж на UNT La Plata. (SF). Материален баланс., Възстановено от: frlp.utn.edu.ar
5. Gómez Claudia S. Quintero. (SF). Материални баланси., Възстановено от: webdelprofesor.ula.ve