موازنه جرم

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو

موازنه جرم (به انگلیسی: mass balance) که موازنه ماده (به انگلیسی: material balance) نیز خوانده می‌شود کاربرد عملی قانون بقای جرم در مورد آنالیز سیستم فیزیکی است. با استفاده از اندازه گیری ماده ورودی و ماده خروجی در یک سیستم، مقدار شارش ماده به دست می‌آید که بدون استفاده از این تکنیک، بدست آوردن آن غیر ممکن یا دشوار است. برای طراحی و احداث یک کارخانه جدید لازم است که مواد خام ورودی به کارخانه و محصولات خروجی مشخص باشند. برای بررسی اقتصادی طرح، مقدار محصولات خروجی با نوشتن موازنه جرم بدست می¬آید ضمناً غلظت و کیفیت محصولات خروجی به نیاز بازار بستگی دارد. به این ترتیب بدون در نظر گرفتن سرمایه¬گزاری اولیه می¬توان طرح را به صورت ابتدایی بررسی نمود. در مراحل بعد لازم است که ابعاد دستگاه¬های مختلف کارخانه مشخص شود. ابعاد اکثر دستگاه¬های مورد استفاده در صنایع شیمیایی به دبی ورودی وابسته است بنابراین لازم است دبی جریان¬های ورودی و خروجی از همه دستگاه¬ها مشخص باشد و این کار با استفاده از موازنه جرم امکان¬پذیر است. گاهی اوقات ممکن است یک کارخانه برای چندین سال مورد بهره¬برداری قرار گرفته باشد اما به علت نیاز به محصولات جدید لازم است تغییراتی در کارخانه ایجاد گردد. در این حالت، طرح¬های پیشنهادی برای تولید محصولات جدید، ابتدا موازنه جرم شده سپس دستگاه¬های جدید طراحی شوند. همچنین برخی اوقات در یک فرایند تولید لازم است مشخصات یک جریان را بدست آوریم اما روی این جریان هیچگونه دستگاهی برای اندازه¬گیری مشخصات جریان وجود نداشته باشد. در چنین شرایطی با استفاده از جریان¬های قبل از این جریان و اعمال موازنه جرم می¬توان مشخصات جریان مورد نظر را بدست آورد. و در صورتی که جریان¬های بعد از جریان مورد نظر معلوم باشد با استفاده از اعمال موازنه جرم روی دستگاه¬های بعد از جریان مورد نظر می¬توان مشخصات جریان مورد نظر را محاسبه نمود. کارخانه¬های تولید مواد شیمیایی معمولاً دارای مواد زائد می¬باشند و در اکثر موارد وارد محیط زیست می¬گردند. مطابق قوانین حفاظت از محیط زیست، دفع مواد زائد با شرایط و غلظت خاصی به محیط صورت گرفته به نحوی که کمترین تاثیر ممکن را بر روی موجودات و اکوسیستم¬ها داشته باشد. به طور مثال در واحد آمونیاک برای خارج کردن مواد زائد از دستگاه¬ها، لازم است مقداری از گازهای خروجی از رآکتور شیمیایی وارد اتمسفر شود. برای این منظور با اعمال موازنه جرم باید خروجی به اتمسفر را از محل مناسبی در نظر گرفت تا مشکلات زیست محیطی به حداقل برسد.

تبدیل واحد ابعاد هر کمیت ابتدا باید در یک سیستم خاص بیان شود. در منابع مهندسی شیمی معمولاً دو سیستم SI و سیستم مهندسی (سیستم آمریکایی) مورد استفاده قرار می¬گیرند.

گاهی اوقات لازم است برای حل مسئله یک مبنا در نظر گرفته شود تا مسئله حل شود یا اینکه مسئله راحت¬تر حل شود. انتخاب مبنا به دلایل زیر می¬باشد. 1- انتخاب یک مقدار برای نمونه¬برداری هرگاه لازم باشد که یک کمیت در یک محلول مورد بررسی قرار گیرد، ابتدا لازم است که یک مقدار از محلول به عنوان نمونه در نظر گرفته شود که به این مقدار، مبنا گفته می¬شود. 2- انتخاب مبنا برای کامل کردن اطلاعات مسئله گاهی اوقات یکی از اطلاعات مسئله کم بوده و قابل حل نمی¬باشد. برای حل این مسایل می¬توان یکی از متغیرهای مجهول را برابر مقدار خاصی در نظر گرفت و بقیه متغیرها را بدست آورد که به این مقدار خاص، مبنا گفته می¬شود. 3- انتخاب یک مبنا برای حذف کمیت زمان در برخی از مسایل، جریان¬های ورودی و خروجی از یک فرایند بر واحد زمان بیان شده است. در این حالت برای حذف کمیت زمان، یک بازه زمانی را به عنوان مبنا در نظر گرفته می¬شود.

غلظت وقتی در یک محلول مایع یا بخار، چند جزء وجود دارد لازم است که غلظت هر کدام از اجزاء مشخص باشد. برای این منظور می¬توان غلظت را به صورت¬های زیر بیان نمود.

1- کسر مولی کسر مولی هر جزء برابر با تعداد مول همان جزء در محلول تقسیم بر کل مول¬های موجود در محلول می¬باشد.

2- کسر جرمی یا وزنی کسر جرمی هر جزء برابر با جرم همان جزء در محلول تقسیم بر کل جرم موجود در محلول می¬باشد.

3- کسر حجمی کسر حجمی هر جزء برابر با حجم همان جزء در محلول تقسیم بر کل حجم موجود در محلول می¬باشد

دانسیته نسبی نقت خام شامل مقدار کمی از آب همراه و گاز می¬باشد که وقتی در مخازن جمع¬آوری می¬شود به سه فاز تقسیم می¬شود. فاز گاز به دلیل دانسیته کم نسبت به بقیه فازها، بالا قرار گرفته و فاز آب به دلیل دانسیته بالاتر نسبت به بقیه فازها، پایین قرار می-گیرد و فاز نفت بین دو فاز ذکر شده قرار خواهد گرفت. محل قرار گرفتن مایعات نسبت به یکدیگر را می¬توان با استفاده از دانسیته و همچنین دانسیته نسبی تشخیص داد.

جریان کنار گذر در برخی از فرایندها بخشی از یک جریان وارد یک یا چند دستگاه شده و بخش دیگر جریان، این دستگاه¬ها را دور زده و اصلاً وارد آنها نمی¬شود. به این جریان، جریان کنار گذر گویند. وجود جریان کنار گذر به دلایل زیر می¬تواند باشد. 1- گاهی اوقات تغییراتی که قرار است در یک جریان داده شود، کم است به همین دلیل بخشی از جریان وارد دستگاه شده و بخش دیگر دستگاه را دور می¬زند. به طور مثال وقتی می¬خواهیم هوا را مرطوب کنیم بخشی از هوا وارد دستگاه شده و کاملاً مرطوب می¬شود سپس با بخش دیگر جریان که اصلاً وارد دستگاه نشده است مخلوط شده و در نهایت رطوبت هوا افزایش می¬یابد. در مهندسی شیمی ابعاد دستگاه به دبی ورودی بستگی دارد در صورتی که بخواهیم کل جریان را وارد دستگاه کنیم باید ابعاد دستگاه بزرگتر شود که ممکن است از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نباشد. 2- وقتی می¬خواهیم از یک دستگاه قدیمی در فرایند دیگری با دبی بالاتر استفاده کنیم لازم است بخشی از خوراک وارد دستگاه شود زیرا این دستگاه برای دبی کمتری طراحی شده است و نمی¬تواند دبی بالاتری را پذیرا باشد. 3- در برخی از فرایندهای جداسازی با استفاده از غشاء یا تبخیر کننده¬ها می¬توان یک جزء را تقریباً به صورت خالص جدا نمود اما ممکن است جریان کاملاً خالص مد نظر نباشد. در چنین حالتی از جریان کنار گذر استفاده می¬شود تا بخشی از ناخالصی موجود در ورودی به جریان خروجی نیز منتقل شود. به طور مثال در تصفیه آب از هر کدام از دو روش ذکر شده که استفاده شود منجر به تولید آب مقطر خواهد شد از آنجا که آب مقطر برای شرب مناسب نیست بخشی از خوراک ورودی را وارد دستگاه نمی-کنیم و مستقیماً وارد محصول خروجی می¬نماییم تا غلظت املاح موجود در آب را تا حد لازم افزایش دهد.

گازهای زاید خروجی و مایع زیر ریز در صورتی که خوراک دارای ناخالصی جزئی بوده و این ناخالصی¬ها همراه با محصولات از فرایند خارج نشود، وجود جریان برگشتی باعث افزایش این ناخالصی¬ها در داخل فرایند خواهد شد تا جایی که ناخالصی¬ها حجم زیادی از فرایند را اشغال کرده و تولید را در فرایند کاهش می¬دهند و در نهایت میزان تولید محصولات به صفر برسد. برای جلوگیری از این پدیده منفی باید ابتدا فرایند مورد بررسی قرار گیرد و هر جایی از فرایند که غلظت ناخالصی بیشترین مقدار خود را دارد، یک شاخه برای دفع ناخالصی¬ها به بیرون از فرایند در نظر گرفته شود. در صورتی که بیشترین غلظت ناخالصی در جریان گازی باشد، شاخه¬ای از گاز تحت عنوان گازهای زائد خروجی از فرایند خارج شده و در صورتی که جریان مایع باشد، مقداری از مایع تحت عنوان مایع زیر ریز از فرایند خارج می¬شود.

موازنه جرم در فرایندهای پایا با واکنش شیمیایی در فرایندهای بدون واکنش شیمیایی، اجزاء خوراک در طی فرایند ماهیت خود را حفظ می¬کردند به همین دلیل می¬توانستیم به تعداد اجزاء موازنه جرم بنویسیم. اما در فرایندهایی که واکنش شیمیایی رخ می¬دهد، اجزاء ماهیت خود را حفظ نمی¬کنند و برای اینکه بتوان از معادله مربوطه استفاده نمود لازم است سرعت تولید و مصرف اجزاء را داشته باشیم. پیدا کردن سرعت تولید و مصرف، حل مسائل موازنه جرم را مشکل خواهد نمود. در این فصل سعی می¬شود برای حل چنین مسائلی، یک موازنه جرم ساده معرفی شده تا به سرعت تولید و مصرف مواد نیازی نباشد.

واکنش¬های شیمیایی از نظر پیشرفت واکنش به دو دسته تقسیم می¬شوند. 1- واکنش¬هایی که پیشرفت آنها 100% بوده و تا زمانی که مواد واکنشگر وجود داشته باشد، واکنش پیش خواهد رفت. برای مثال می¬توان به احتراق گازهای هیدروکربنی اشاره کرد. در این واکنش¬ها تا جایی که سوخت و اکسیژن به صورت همزمان وجود داشته باشد، واکنش انجام خواهد شد. در این واکنش¬ها ممکن است یکی از اجزاء به صورت اضافی در سیستم وجود داشته باشد. بنابراین مقداری از این واکنشگر مصرف شده و بخشی از آن که به صورت اضافه وارد شده است، بدون انجام واکنش خارج می¬گردد. 2- واکنش¬هایی که به رغم وجود اجزاء واکنشگر، پیشرفت آنها کمتر از 100% است. واکنش تولید بسیاری از مواد شیمیایی در این دسته قرار می¬گیرد. در این فرایندها با توجه به اینکه بخشی از مواد اولیه در واکنش شرکت نمی¬کنند، همراه با محصول از ظرف واکنش خارج می¬شوند و برای استفاده مجدد، بازیابی شده و به ظرف بازگردانده می-شوند. بنابراین در فرایندهایی که چنین واکنش¬هایی وجود داشته باشد معمولاً جریان برگشتی نیز وجود دارد.

احتراق در واکنش¬های احتراق، یک ماده سوختی جهت تولید گرما وارد محفظه احتراق شده و با اکسیژن وارد واکنش می¬شود. معمولاً اکسیژن لازم از طریق ورود هوا به محفظه احتراق تامین می¬شود. برای اطمینان از ورود اکسیژن لازم برای واکنش، سعی می¬شود هوا به صورت اضافی وارد محفظه احتراق شود. مقدار اکسیژن لازم یا هوای لازم را می¬توان با استفاده از دبی سوخت ورودی و داشتن معادله واکنش شیمیایی محاسبه نمود. در صورتی که یک سوخت هیدروکربنی، هوای کافی در اختیار داشته باشد به طور کامل می¬سوزد.

آنالیز گازهای خروجی تجزیه گازهای خروجی از محفظه احتراق به صورت¬های مختلفی بیان می¬شود که در زیر به آنها اشاره شده است.

1- مبنای مرطوب هرگاه در آنالیز گازهای خروجی، غلظت آب نیز در نظر گرفته شود اصطلاحاً می¬گوییم آنالیز گاز بر مبنای مرطوب بیان شده است.

2- مبنای خشک یا تجزیه ارسات هرگاه در آنالیز گازهای خروجی، اصلاً مقدار آب در نظر گرفته نشود. اصطلاحاً می¬¬گوییم گاز بر مبنای خشک آنالیز شده است.

3- مبنای مرطوب عاری از جزء C هرگاه در تجزیه مرطوب، جزء C در نظر گرفته نشود. اصطلاحاً می¬گوییم گاز بر مبنای مرطوب عاری از جزء C آنالیز شده است.

4- مبنای خشک عاری از جزء C هرگاه در تجزیه خشک، جزء C در نظر گرفته نشود. اصطلاحاً می¬گوییم گاز بر مبنای خشک عاری از جزء C آنالیز شده است.

واکنش¬های تعادلی برخی از واکنش¬های شیمیایی، تعادلی بوده و پس از مدت زمانی به رغم وجود اجزاء واکنشگر، غلظت آنها ثابت بوده و در واقع واکنشگرها و محصولات با هم به تعادل می¬رسند. برای چنین واکنش¬هایی لازم است پس از انجام واکنش، محصولات جدا شده تا شرایط برای انجام واکنش فراهم گردد. برای این منظور واکنشگرها و محصولات از رآکتور شیمیایی خارج شده و وارد بخش جداسازی می¬شوند. در واحد جداسازی، محصولات واکنش جدا شده و از فرایند خارج خواهند شد و واکنشگرها جهت تولید محصول به رآکتور بازگشت داده می¬شوند. بنابراین یکی از دلایل وجود جریان برگشتی، تعادلی بودن و پیشرفت نکردن واکنش است. به همین دلیل است که در واکنش¬های احتراق، جریان برگشتی وجود ندارد.

گازهای زائد خروجی جریان برگشتی در فرایندهایی شامل واکنش شیمیایی به علت تعادلی بودن واکنش و همچنین عدم پیشرفت صد در صدی واکنش می¬باشد. در صورتی که در مواد واکنشگر جزء زائدی وجود داشته باشد که در واکنش شیمیایی شرکت نکند و جداسازی آن نیز مشکل باشد باید بخشی از جریان برگشتی به محیط دفع شود تا این جزء زائد از فرایند خارج شود. در غیر این صورت این جزء در فرایند جمع شده و باعث اشغال فضای رآکتور و فرایند می¬شود در نتیجه تولید محصول کاهش یافته و در نهایت باعث عدم تولید محصول خواهد شد.

اشباع مطلق یکی از راه¬های دیگر برای بیان غلظت جزئی از مخلوطی که قابل میعان می¬باشد استفاده از درصد اشباع مطلق است. اشباع مطلق برابر با نسبت مول¬های بخار به ازای هر مول گاز عاری از بخار در مخلوط مورد نظر تقسیم بر نسبت مول¬های بخار به ازای هر مول گاز عاری از بخار در حالت اشباع می¬باشد.

موازنه جرم فرایندهای ناپایا در موارد زیر لازم است موازنه جرم ناپایا برای فرایندها اعمال شود. 1- فرایندهای پیوسته معمولاً به صورت پایا کار می¬کنند اما در ابتدای راه¬اندازی این دستگاه¬ها، عملیات ناپایا می¬باشد و باید زمان رسیدن به حالت پایا را محاسبه نمود. همچنین وقتی میخواهیم فرایندهای پایا را از سرویس خارج کنیم، عملیات ناپایا خواهد بود. 2- هرگاه عملیات ناپیوسته بوده و زمان عملیات مد نظر باشد.[۱]

منابع[ویرایش]

  1. سامان موسویان- داود عشوری - حسن عبادی، انتشارات یزدا، چاپ اول--- لینکهای دانلود کتاب موازنه جرم: http://www.uploadtak.com/images/c8991_mass_upload.pdf http://www.uploadtak.com/viewer.php?file=c8991_mass_upload.pdf

مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا، «mass balance»، ویکی‌پدیای انگلیسی، دانشنامهٔ آزاد (بازیابی در ژوئن ۲۰۰۹).