- Ecuația generală a echilibrului de masă
- Simplificare
- Exemplu de utilizare: pește în râu
- Tipuri
- Echilibru diferențial
- Echilibru cuprinzător
- Exemplu de exercițiu
- Referințe
Bilanțul material este numărul componentelor care aparțin unui sistem sau proces studiat. Acest echilibru poate fi aplicat la aproape orice tip de sistem, deoarece se presupune că suma maselor acestor elemente trebuie să rămână constantă la momente de măsurare diferite.
Componenta poate fi înțeleasă ca marmură, bacterie, animale, bușteni, ingrediente pentru un tort; și în cazul chimiei, moleculelor sau ionilor, sau mai precis, compuși sau substanțe. Deci, masa totală a moleculelor care intră într-un sistem, cu sau fără o reacție chimică, trebuie să rămână constantă; atâta timp cât nu există pierderi de scurgeri.
Pila de roci: un exemplu literal de materie echilibrată. Sursa: Pxhere.
În practică există nenumărate probleme care pot afecta echilibrul de materie, pe lângă luarea în considerare a diferitelor fenomene ale materiei și efectul multor variabile (temperatură, presiune, debit, agitație, dimensiunea reactorului etc.).
Pe hârtie, însă, calculele soldului masic trebuie să se potrivească; adică, masa compușilor chimici nu trebuie să dispară în niciun moment. Preluarea acestui echilibru este similară echilibrării unui morman de roci. Dacă una dintre mase iese din loc, totul se destramă; în acest caz, ar însemna că calculele sunt greșite.
Ecuația generală a echilibrului de masă
În orice sistem sau proces, trebuie mai întâi definit care sunt limitele sale. De la ei, se va ști ce compuși intră sau părăsesc. Acest lucru este deosebit de convenabil dacă există mai multe unități de proces care trebuie luate în considerare. Când toate unitățile sau subsistemele sunt luate în considerare, atunci vorbim de un echilibru general de masă.
Acest echilibru are o ecuație, care poate fi aplicată oricărui sistem care respectă legea conservării masei. Ecuația este următoarea:
E + G - S - C = A
În cazul în care E este cantitatea de materie care intră în sistem; G este ceea ce este generat dacă are loc o reacție chimică în proces (ca într-un reactor); S este ceea ce iese din sistem; C este ceea ce se consumă , din nou, dacă există o reacție; și în final, A este ceea ce se acumulează .
Simplificare
Dacă nu există nicio reacție chimică în sistemul sau procesul studiat, G și C sunt în valoare de zero. Astfel, ecuația arată ca:
E - S = A
Dacă sistemul este, de asemenea, considerat în stare constantă, fără modificări apreciabile în variabilele sau fluxurile componentelor, se spune că nu se acumulează nimic în interiorul său. Prin urmare, A valorează zero, iar ecuația sfârșește simplificând în continuare:
E = S
Cu alte cuvinte, cantitatea de materie care intră este egală cu cea care lasă. Nimic nu poate fi pierdut sau dispar.
Pe de altă parte, dacă există o reacție chimică, dar sistemul este în stare constantă, G și C vor avea valori, iar A va rămâne zero:
E + G - S - C = 0
E + G = S + C
În sensul că într-un reactor masa reactivilor care intră și a produselor pe care le generează este egală cu masa produselor și reactivilor care părăsesc și a reactivilor consumați.
Exemplu de utilizare: pește în râu
Să presupunem că studiați numărul de pești dintr-un râu, ale cărui maluri vin să reprezinte limita sistemului. Se știe că, în medie, 568 pești intră pe an, 424 se nasc (generează), 353 mor (consumă) și 236 migrează sau pleacă.
Aplicând ecuația generală pe care o avem atunci:
568 + 424 - 353 - 236 = 403
Aceasta înseamnă că pe an se acumulează 403 pești în râu; adică pe an râul se îmbogățește cu pește. Dacă A ar avea o valoare negativă, ar însemna că numărul peștilor este în scădere, probabil din cauza impactului negativ asupra mediului.
Tipuri
Din ecuația generală se poate crede că există patru ecuații pentru diferite tipuri de procese chimice. Cu toate acestea, echilibrul de masă este împărțit în două tipuri după un alt criteriu: timpul.
Echilibru diferențial
În echilibrul material diferențial avem cantitatea componentelor dintr-un sistem la un moment sau moment dat. Cantitățile de masă menționate sunt exprimate în unități de timp și, prin urmare, reprezintă viteze; de exemplu, Kg / h, indicând câți kilometri intră, pleacă, acumulează, generează sau consumă într-o oră.
Pentru a exista fluxuri de masă (sau volumetrice, cu densitatea la îndemână), sistemul trebuie să fie în general deschis.
Echilibru cuprinzător
Când sistemul este închis, așa cum se întâmplă cu reacțiile efectuate în reactoarele intermitente (tip lot), masele componentelor sale sunt de obicei mai interesante înainte și după proces; adică între timpurile inițiale și cele finale t.
Prin urmare, cantitățile sunt exprimate ca simple mase și nu viteze. Acest tip de echilibru se face mental când se folosește un blender: masa ingredientelor care intră trebuie să fie egală cu cea rămasă după oprirea motorului.
Exemplu de exercițiu
Se dorește diluarea unui flux de soluție de metanol de 25% în apă, cu o altă concentrație de 10%, mai diluată, astfel încât se generează 100 Kg / h dintr-o soluție de metanol de 17%. Cât de multe soluții de metanol de 25% și 10% trebuie să intre în sistem pe oră pentru a realiza acest lucru? Presupunem că sistemul este într-o stare constantă
Următoarea diagramă exemplifică afirmația:
Schema de flux pentru echilibrul masic al diluției soluției de metanol. Sursa: Gabriel Bolívar.
Nu există reacție chimică, deci cantitatea de metanol introdusă trebuie să fie egală cu cantitatea care rămâne:
E Metanol = S Metanol
0,25 n 1 · + 0,10 n 2 · = 0,17 n 3 ·
Doar valoarea lui n 3 · este cunoscută . Restul sunt necunoscute. Pentru a rezolva această ecuație a două necunoscute, este nevoie de un alt echilibru: cel al apei. Facând același echilibru pentru apă, avem:
0,75 n 1 · + 0,90 n 2 · = 0,83 n 3 ·
Valoarea lui n 1 · este rezolvată pentru apă (poate fi, de asemenea, n 2 · ):
n 1 · = (83 Kg / h - 0,90 n 2 · ) / (0,75)
Substituind apoi n 1 · în ecuația echilibrului de masă pentru metanol și rezolvând pentru n 2 · avem:
0,25 + 0,10 n 2 · = 0,17 (100 Kg / h)
n 2 · = 53,33 Kg / h
Și pentru n 1 · pur și simplu scadeți:
n 1 · = (100-53,33) Kg / h
= 46,67 Kg / h
Prin urmare, pe oră, trebuie să intre în sistem 46,67 kg soluție de metanol 25% și 53,33 kg soluție 10%.
Referințe
- Felder și Rousseau. (2000). Principii elementare ale proceselor chimice. (A doua editie.). Addison Wesley.
- Fernández Germán. (20 octombrie 2012). Definiția mass balance. Recuperat de la: industriaquimica.net
- Bilanțele materiei: procese industriale I. Recuperat de la: 3.fi.mdp.edu.ar
- Colegiul Regional UNT La Plata. (Sf). Echilibrul materialelor. . Recuperat din: frlp.utn.edu.ar
- Gómez Claudia S. Quintero. (Sf). Bilanțe de materiale. . Recuperat din: webdelprofesor.ula.ve